来自纳米光子学双色孤子压缩的双光学周期脉冲

芯片上的光脉冲

现代科学常依赖极其短促的光闪来观察电子运动、跟踪化学反应或以极高速度传输数据。迄今为止，产生此类超短脉冲通常需要占据整个房间、昂贵的激光仪器。本文展示了如何将这种能力缩小到微小芯片上：利用专门设计的晶体波导将光脉冲压缩到仅相当于其基色的两个周期——为紧凑、可负担的超快科学与技术工具打开了大门。

为什么更短的光闪很重要

长度仅为飞秒（十亿分之一秒的百万分之一）甚至阿秒的超短光脉冲，能让研究者在原子和电子尺度上“冻结”运动。它们还具有很高的峰值功率，可驱动极端光学效应并支持超快通信与信息处理。传统上，生成这些脉冲需要两大体积庞大的阶段：首先将激光脉冲的光谱展宽成广泛的频带，其次精确校正各颜色的相位使其在时间上对齐。这些设备的复杂性与体积限制了该技术在专门实验室以外的普及。

一种新的脉冲压缩方式

作者基于一种称为孤子的现象——孤子是一种自我整形的光脉冲，因色散带来的展宽被材料的非线性效应所平衡，从而在传播中保持形态。与通常利用光纤的三阶（Kerr）响应不同，他们利用铌酸锂中更强的“二阶”响应，这种晶体在光子学中被广泛使用。在他们的纳米光子波导中，入射的基频脉冲与其二次谐波（频率翻倍、更蓝的颜色）相互作用。两种颜色在共同传播时能量在它们之间来回交换，在经过精心调节的色散与轻微的相位不匹配条件下，这种交换自然而然地将两者在时间上压缩并提升峰值功率。

在芯片上工程化光

这项工作关键在于精确控制芯片内不同颜色和速度的光的行为。团队设计了一种铌酸锂波导，其几何形状和周期性极化（poling）结构用于管理色散并尽量减少基频与其二次谐波之间的时间滑移。通过理论分析与数值模拟，他们绘制出被压缩脉冲与理想孤子解之间的关系，并推导出将输入脉宽、材料参数与最佳器件长度联系起来的简单设计规则。这使他们能够预测脉冲能压缩到多短，以及主脉冲中能量保持的效率和峰值功率的增加量。

从理论到双周期脉冲

凭借优化设计，研究者在薄膜铌酸锂上制作了一个长6.5毫米的纳米光子波导。他们注入能量适中的约3皮焦耳、波长接近2微米的脉冲，并用先进的脉冲测量技术表征输出。结果令人瞩目：基频脉冲被压缩到约13飞秒——不到其载波振荡的两个周期——而二次谐波脉冲收缩到约17飞秒。测得的脉冲形状和光谱与理论预测高度一致，确认该器件在预期的双色孤子工作区运行，而不是简单产生杂乱的超连续谱。

迈向单周期波形

由于基频和二次谐波脉冲在时间上紧密锁定并具有良好定义的相位关系，它们构成合成更短光波形的有力基块。通过稍微调整相对相位——可在芯片上用小型电光调制器实现——可以生成不同的组合波形，包括接近单周期、仅数飞秒的脉冲。作者通过模拟并利用他们测得的脉冲展示，这类合成可通过对现有装置进行适度扩展来实现，而更高能量的芯片级光源最终可将峰值功率推高到足以在完全集成的平台上驱动极端非线性光学的水平。

简而言之这意味着什么

本质上，这项工作将过去需要占据房间的超快激光系统转变为毫米尺度的芯片元件。通过巧妙利用在脉冲传播过程中在两种颜色之间转换光能的晶体，并将芯片工程为使这些颜色在恰当时刻相互强化，作者用极少的能量产生了极短且强烈的光闪。这一方法为紧凑、可扩展的单周期脉冲发生器提供了切实可行的路线图，可能影响从更快的光通信和计算到在实验台上探测自然界最快时间尺度的工具等多方面应用。

引用: Gray, R.M., Sekine, R., Shen, M. et al. Two-optical-cycle pulses from nanophotonic two-color soliton compression. Light Sci Appl 15, 107 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02187-8

关键词: 超快脉冲, 纳米光子学, 铌酸锂, 孤子压缩, 双色光学