近年来脉冲光源的小型化和集成化取得了显著进展，近红外波长范围（0.8-2.5 μm）具有大量基于半导体锁模激光器（SMLL）和非线性谐振器的紧凑脉冲源。相比之下，中红外波长范围（3-12μm）内集成脉冲光发生器的数量很少，而这一波段对于气体传感和光谱学的应用具有战略意义。本文提出了一种新的反馈不敏感且无隔离器的半导体激光器架构，该架构能够直接在激光芯片上产生明亮的皮秒中红外脉冲，无需任何外部压缩，孤子中包含的光功率为毫瓦级，且理论上这一架构适用于整个中红外波段[1]。在有源量子级联谐振器中，由于增益饱和，介质极化率与强度有关，因此本文尝试使用光学双稳态的原理产生孤子。依据广义 Lugiato-Lefever 方程模拟扫描驱动场相对于谐振腔的失谐量的过程，模拟结果（图1）显示正向扫描过程中谐振腔内场强会出现一系列阶跃，这正是孤子产生的标志。

图1 模拟结果。从上至下依次为：有源量子级联谐振器的结构；连续光模式的光谱和输出强度；失谐量正向扫描（橙色曲线）和反向扫描（灰色曲线）的谐振腔内光强（光强被乘以-1上下翻转以便于和实验结果进行对比）；孤子模式的光谱和输出强度。[1]实验中使用外部驱动场注入锁定粗调腔内光场的波长，并用加热器改变量子级联谐振器的跑道形谐振腔来细调谐振波长，最终实现对失谐量的扫描。由于增益被前向传播的腔内场强烈饱和，背向反射波在谐振器内迅速消失，使环形激光器基本上对反馈不敏感，从而无需光隔离器。实验结果显示，在谐振波长正向扫描（等效于驱动场波长反向扫描）过程中，激光器一直保持单模运转（图2b）；反向扫描（等效于驱动场波长正向扫描）中输出强度出现了孤子标志性的阶跃（图2d）。通过多次相同的反向扫描，可以发现输出强度存在多个可能的阶跃（图 2f），这表明孤子态具有多稳态，多次相同的扫描可以随机激发单孤子和多孤子态（图 2h,i）。

图2 实验结果。a，实验装置与实验开始时谐振腔（RT）和外置激光器（ECL）的波数关系，ECL位于RT的蓝失谐侧。b，正向扫描的输出强度（橙色）和干涉图（灰色）。c，正向扫描的输出强度曲线的短时快速傅里叶变换。d，反向扫描的输出强度（橙色）和干涉图（灰色）。e，反向扫描的输出强度曲线的短时快速傅里叶变换。f，1,000次反向扫描的输出强度曲线叠加，表现出孤子态的多稳态。g，重建的孤子模式在两次循环中的输出强度-时间曲线。h，g中波形的光谱与模间拍频的射频频谱。i，多孤子态的光谱。[1]输出中除驱动腔孤子以外的强背景驱动场需要滤除。为了集成化，本文使用一个在激光阈值以下驱动的有源环形谐振器充当陷波滤波器，该谐振器的品质因数和谐振频率可以独立调整。可以看到使用滤波器后泵浦对应的峰值明显被去除，同时只对梳状光谱的其余部分产生轻微影响。当滤波器打开时，高强度背景上的孤子变为无背景的亮脉冲（图 3e）。

图3 芯片上的泵浦滤波。a，有源谐振器光子集成芯片的光学显微镜图像。该芯片包含两个相同的跑道形谐振器，它们通过总线波导连接，一个用于孤子生成，另一个用于泵浦滤波。b，图a中左侧谐振器的孤子态频谱。c，滤波器在泵浦波长（1227 cm-1）下的响应曲线，消光比（ER）为42 dB。d，滤波器关闭和打开时孤子发生器的光谱。e，在滤波器关闭和打开的情况下，重建的孤子发生器在两次循环中的输出强度-时间曲线。[1]上述实验装置中使用了外部的激光器进行驱动，本文又展示了进一步集成化的中红外芯片。将法布里-珀罗驱动激光器与有源量子级联谐振器集成在芯片上，通过与上文相同的方式进行失谐量扫描，同样产生了稳定的孤子脉冲。集成孤子发生器除了结构紧凑之外，另一个优越的特性是孤子状态的长期稳定性及其在电源关闭再开启后恢复的能力。通过按规定方式关闭并开启电源，观察到完美的孤子状态恢复效果（图4d）。此外，集成孤子发生器的孤子态还在数小时的连续工作中保持稳定（图4e）。

图4 集成化孤子发生器。a，量子级联光子集成芯片的光学显微镜图像，图中包含两套相同的器件，每套都由法布里-珀罗激光器、波导耦合器、电阻加热器和跑道型谐振器组成。b，在波长正向扫描和反向扫描过程中的输出强度（橙色）、干涉图（灰色）和模间拍频的频谱图（下侧图片）。c，在波长正向扫描中获得的孤子的功率谱密度和重构的时间波形。d，孤子发生器开启和关闭时的干涉图（灰色）和输出强度（橙色）。e，孤子态的功率谱密度，在4h内保持稳定。[1]本工作是已知的首款中红外波长范围内的直流驱动芯片级脉冲发生器。虽然目前的演示系统工作在 8.3μm 波长，但该方法通过设计量子级联激光器的有源区，可以推广到整个中红外波段，并且有望通过更换材料推广到更短的波长。本文使用的光学双稳态的脉冲产生方式比起可饱和吸收损耗更低，可能成为可饱和吸收的一种引人注目的替代方案。这种无需隔离器的光梳系统也证明了芯片集成此类组件以制作功能性光谱和计量系统的合理性。

参考文献：[1]Kazakov, D., Letsou, T.P., Piccardo, M. et al. Driven bright solitons on a mid-infrared laser chip. Nature 641, 83–89 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08853-y

       原文标题 : 超快非线性光学技术之七十八 中红外片上飞秒激光