[论文解读] Femtosecond pulse amplification on a chip

Mahmoud Gaafar, Markus Ludwig+14 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Laser-Matter Interactions and Applications被引用 1

一句话总结

该论文在CMOS兼容的光子芯片上实现了重复频率为1 GHz的啁啾飞秒脉冲超过50倍的放大，获得800 W的峰值功率和116 fs的脉冲宽度。通过采用全正群速度色散（all-normal dispersion）、大模场面积的掺铥（Tm:Al2O3）波导以及受啁啾脉冲放大（CPA）启发的架构，作者有效抑制了芯片上的强非线性效应，实现了此前仅在台式系统中才能达到的、集成化的飞秒光源，其峰值功率水平显著提升。

ABSTRACT

Femtosecond laser pulses enable the synthesis of light across the electromagnetic spectrum and provide access to ultrafast phenomena in physics, biology, and chemistry. Chip-integration of femtosecond technology could revolutionize applications such as point-of-care diagnostics, bio-medical imaging, portable chemical sensing, or autonomous navigation. However, current sources lack the required power, and the on-chip amplification of femtosecond pulses is an unresolved challenge. Here, addressing this challenge, we report >50-fold amplification of 1~GHz repetition-rate chirped femtosecond pulses in a CMOS-compatible photonic chip to 800 W peak power with 116 fs pulse duration. Nonlinear effects, usually a hallmark of integrated photonics but prohibitive to pulse amplification are mitigated through all-normal dispersion, large mode-area rare-earth-doped gain waveguides. These results offer a pathway to chip-integrated femtosecond technology with power-levels characteristic of table-top sources.

研究动机与目标

• 克服片上飞秒脉冲源峰值功率低的关键限制，该问题阻碍了其实际应用。
• 解决集成波导中强非线性效应导致的超短脉冲在低峰值功率下失真的挑战。
• 实现片上飞秒脉冲放大至与体激光系统相当的功率水平，使片上超快光子学成为可行方案。
• 开发一种支持高重复频率、近变换极限飞秒脉冲的CMOS兼容光子平台，通过创新的波导与增益结构设计实现。

提出的方法

• 采用受啁啾脉冲放大（CPA）启发的架构：在放大前对输入脉冲进行时间展宽，以降低峰值功率并抑制非线性效应。
• 使用全正群速度色散（ANDi）波导，防止放大过程中自相位调制和光谱展宽。
• 在氮化硅（Si3N4）中设计具有铥掺杂氧化铝（Tm:Al2O3）核心的大模场面积（LMA）波导，实现高效、低损耗的放大。
• 将稀土掺杂的增益介质（Tm:Al2O3）直接集成于波导结构中，实现片上光学放大。
• 利用包含时间域与频率域增益、色散和非线性的非线性薛定谔方程（NLSE）框架，对放大动力学进行建模。
• 采用包含Tm3+能级的速率方程模型，包括能量转移上转换（ETU），以模拟增益动力学并预测放大器性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在光子芯片上实现峰值功率超过100 W的飞秒脉冲放大，以满足实际应用需求？
• RQ2 全正群速度色散和大模场面积波导在片上放大过程中，能在多大程度上抑制有害的非线性效应？
• RQ3 片上集成放大器能否实现近变换极限、116 fs的脉冲，同时实现超过50倍的增益，并保持高光谱与时间域保真度？
• RQ4 在CMOS兼容平台上集成稀土掺杂增益介质（Tm:Al2O3）如何实现高增益、低损耗的超短脉冲放大？
• RQ5 在完全集成的片上飞秒脉冲放大器中，非线性失真占主导之前，可实现的最大峰值功率是多少？

主要发现

• 该芯片实现了1 GHz重复频率啁啾飞秒脉冲超过50倍的放大，获得800 W的峰值功率和116 fs的脉冲宽度。
• 输出脉冲近乎变换极限，表明放大和压缩后具有优异的时间与光谱质量。
• 系统工作在116 fs脉冲宽度和800 W峰值功率，相比先前报道的片上光源提升了2–3个数量级。
• 采用全正群速度色散（ANDi）波导有效抑制了放大过程中的自相位调制及其他非线性失真。
• 在Si3N4中设计的大模场面积（LMA）波导，以Tm:Al2O3作为活性核心，实现了高效、低损耗的放大，且模式限制引起的非线性效应极小。
• 数值建模证实，该放大器设计保持了低非线性相移和高增益效率，验证了实验结果。