片上集成的飞秒激光在即时诊断、生物医学成像、便携式化学传感和雷达导航等领域具有广阔的发展前景。然而，由于集成波导的宽度通常在百纳米量级，光脉冲在芯片上的放大过程中极易积累大量的非线性相移，导致脉冲的非线性失真乃至器件的损伤。针对该难题，德国汉堡大学研究组借鉴啁啾脉冲放大技术（CPA），在CMOS兼容光子芯片上实现了1 GHz重频啁啾脉冲的50 倍放大，峰值功率达800 W，脉冲宽度为116 fs[1]。

图1 片上超快脉冲放大示意图[1]

片上飞秒脉冲放大流程如图1a所示：中心波长为1815 nm、重复频率为1 GHz的1.81 mW信号光被耦合进放大器中，在掺铥氧化铝增益层中被1610 nm的连续光泵浦放大，最终输出能量为95 pJ、光谱带宽为3.5 THz的116 fs脉冲。图1b展示了放大过程中脉冲的演化，展宽的脉冲在放大器波导中以线性传输为主，仅在传输末端需要考虑非线性效应的影响。为了紧凑集成，如图1c所示，放大器波导结构总长为12 cm，包括约10 cm提供增益的直波导段和2 cm左右的弯曲波导段。弯、直波导间通过锥形波导连接，两者在不同位置的光模场分布分别如图1d与图1e所示。

图2  放大器的设计原理图[1]

通过合理设计氮化硅波导宽度与掺铥氧化铝增益层高度等放大器尺寸参数（如图2a所示），可以让光在直波导段放大时，光场主要分布在增益层内，以最大化提取能量；而当光在弯曲波导传输时，光场主要分布在波导中，以减少传输损耗。同时，如图2b所示，通过调整系统参数，可在整个放大器结构中实现全正群速度色散，从而实现压缩脉冲。光在连接直、弯波导的锥型波导中模场分布演变过程如图2c所示。

图3  放大器的实验测试结果图[1]

成功制备芯片后，该研究组搭建了如图3a所示的测试光路，并且利用FROG法测量了输出脉冲的时域特性。在芯片泵浦功率为700 mW时，脉冲的输出功率为95 mW，其增益约为17 dB。图3d、3e、3f分别展示了原始脉冲、啁啾脉冲和输出脉冲的FROG测量图与重构图。观察图3f可发现，输出脉冲存在微弱的残余三阶色散，研究组推测其来源于有限的增益带宽和放大过程中的非线性相位积累。综上，本论文通过优化设计大模场增益波导，在CMOS兼容光子芯片上实现了1 GHz飞秒脉冲的50倍放大，峰值功率达到800 W。该研究成果为大规模高功率片上集成超快光源开辟了新的机遇，利于片上光源的进一步发展。

参考文献：

[1] Gaafar M A , Ludwig M , Wang K ,et al.Femtosecond pulse amplification on a chip[J].  2023.DOI:10.1038/s41467-024-52057-3.

       原文标题 : 超快非线性光学技术之六十二 片上飞秒脉冲放大