波导极化激兆实现蓝-紫外光锁模的研究报道

在现代光电子学领域，激光技术的不断进步极大地推动了信息科技、生物医学及工业加工等多个领域的发展。尤其是锁模激光技术，以其超短脉冲和高重复率的特点，在精密测量、高速通信等方面展现了重要应用价值。然而，传统的基于量子阱或者材料非线性效应的锁模激光器通常存在脉冲宽度和工作温度的限制。因此，研究人员致力于在新型材料体系和器件结构下寻找更高性能激光源的可能性。

最近，法国蒙彼利埃大学(Laboratoire Charles Coulomb, L2C)、巴黎-萨克雷大学(Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, CNRS)、法国索邦大学(Sorbonne Université)等机构的研究团队发表了一篇题为《波导极化激兆实现蓝-紫外光锁模》的重要研究成果，该论文全面描述了一种新型基于GaN波导的锁模微激兆，并在蓝-紫外光谱范围内进行了室温下的操作。其脉冲重复率高达300 GHz，单个脉冲长度仅为100飞秒。本文全面介绍了极化激兆激光器中极化激子-极化子相互作用的自相位调制机制，并与模拟结果相结合，证实了锁模行为的确切特征。本论文由H. Souissi, M. Gromovyi等人撰写，发表于Optica Publishing Group旗下的《Optica》期刊第11卷第7期。

研究背景与意义

极化子（Polariton）是通过强耦合实现的准粒子，由半导体量子阱中的激子（电子-空穴对）和微腔中的光子混合而成。由于其半粒子、半光子的性质，极化激兆具有远低于激子的有效质量以及强的非线性相互作用，这些特性使得它成为实现低阈值、超短脉冲锁模激兆的理想选择。

研究内容与方法

研究团队利用了一种60微米长的基于氮化镓(GaN)的波导结构，并在其两侧添加了布拉格反射镜(Bragg reflectors)，形成一个多模式的水平微腔。通过理论分析与实验相结合，研究团队发现极化子-极化子之间的相互作用能够实现模式的自相位调制，从而补偿了模式色散并实现了锁模。实验结果显示，该极化激兆能够在室温条件下产生短至100飞秒的脉冲，重复频率为300 GHz。此外，通过改变增益谱宽和饱和密度的参数，数值模拟进一步确认了实验中的锁模行为。

研究结果

研究表明这种基于极化子的锁模激兆在蓝-紫外光谱范围工作时具有超快脉冲和高重复频率的特征，具有一定的温度独立性，并且在某些参数设定下，模式锁定的行为与脉冲形貌不分泵长短。这一脉冲宽度与锁模激兆器件的实际尺寸相当，展示了在极化激兆领域减小非线性光学器件的长度和能量尺度的潜力，同时提高了操作频率。

研究结论

这项工作证明了在大带隙半导体中利用极化子非线性实现的可能性，为未来极化激兆在集成光电子学方面的应用打下了坚实的基础。基于氮化镓的活性层和标准电气方案的兼容性为实现集成紫外激兆提供了可行之路。

本次研究不仅在理论上提出了一种新型的基于极化激兆的锁模激兆器，而且通过实验成功实现了该激兆器的室温工作，为光电子学领域的未来发展开辟了新的方向。