Nature：集成锁模激光器获重大突破！
超快锁模激光器在角膜手术、化学反应动力学观测、光学原子钟等领域已带来革命性影响。然而，长期以来，基于光子集成芯片的超快光源始终受限于极低的脉冲能量（皮焦耳级），难以驱动非线性过程如超连续谱产生，严重阻碍了其在芯片级系统中的应用。传统的集成锁模方案，如III-V族半导体激光器或克尔微腔光梳，要么依赖复杂的异质集成，要么脉冲能量过低。为了突破这一瓶颈，研究人员需要一种能在高约束波导中承受大非线性相移、同时无需物理可饱和吸收体的锁模机制。Mamyshev振荡器因其对超大非线性相移的天然容忍性和结构简洁性，成为理想选择。然而，将这一方案在掺杂光子芯片上实现，并达到实用化的脉冲能量与稳定性，一直是尚未攻克的技术难题。
研究内容与结论
为了实现大规模集成，首先需要解决MoS₂晶体管的均匀性和阈值电压可控性问题。研究团队采用化学气相沉积生长的单晶MoS₂作为沟道材料，以Sb(0112)/Au作为接触电极，显著降低了接触电阻。在衬底制备方面，工业晶圆厂预先完成了四层铝金属互连（M1-M4）和钨栅极的制造，并通过化学机械抛光将钨栅极和绝缘层的粗糙度控制在0.8 nm以下；随后原子层沉积10 nm HfO₂栅介质，表面粗糙度进一步降至500±200 pm，有效降低了界面态密度。为实现耗尽型晶体管，团队采用原子层沉积亚化学计量比AlOₓ作为n型掺杂层，通过调节三甲基铝浸泡循环次数，可在较大电压范围内连续调控阈值电压。对两英寸晶圆上48个管芯的1200个晶体管进行电学表征，阈值电压标准差σ(Vth)=0.267 V，处于已报道的晶圆级器件中最佳水平。在此基础上制备的100个耗尽型-增强型反相器，电压增益达53.8±14.4，噪声容限1.32±0.18 V，开关阈值1.50±0.18 V，为后续大规模逻辑电路提供了基础。
研究结果
本研究首次在实验上实现了基于掺铒氮化硅波导的集成Mamyshev振荡器锁模激光器。其核心腔型为线性腔，由一段42厘米长的Er:Si₃N₄波导和两个中心波长偏移约8.9 nm的波导布拉格光栅组成。通过1,480 nm激光二极管双向泵浦，并采用短暂的泵浦电流调制实现自启动，激光器可在无外部种子光的情况下建立稳定锁模。实验测得重复频率为175.5 MHz，两个输出端口的平均片上功率分别达182 mW和184 mW，对应单端口脉冲能量超过1 nJ，创下集成锁模激光器的纪录。输出光谱覆盖整个通信C波段并延伸至L波段，20 dB带宽分别达64 nm和47 nm，包含超过4万条频率梳齿。在长期运行测试中，激光器可在10小时内保持稳定锁模，未出现Q开关不稳定或连续波背景。
在脉冲特性与相干性表征方面，研究团队通过可编程滤波器或单模光纤进行色散补偿，将输出脉冲压缩至147 fs。通过直接光电探测和与连续参考激光的拍频测量，系统展现了优异的时频特性：重复频率拍频信号的信噪比高达105 dB（10 Hz分辨率带宽），10 kHz偏移处的单边带相位噪声为-134 dBc/Hz，积分时间抖动仅59.1 fs（10 kHz–10 MHz），对应的洛伦兹线宽低至0.012 mHz。光学梳齿的洛伦兹线宽约为31.4 kHz，主要受限于泵浦激光强度噪声和弛豫振荡。这种高相干、高脉冲能量的输出使该光源能够直接驱动两个关键应用：一是在色散工程化氮化硅螺旋波导中产生736 nm至2331 nm的1.5倍频程超连续谱，无需外部放大；二是驱动太赫兹时域光谱系统，实现5 THz带宽、90 dB动态范围，并清晰分辨水汽吸收峰以及乳糖在0.53 THz的特征吸收峰，成功演示了飞行时间测厚和粉末材料识别。
图4 直接由集成式Mamyshev振荡器驱动的超连续谱产生
核心创新点：首次将Mamyshev振荡器锁模机制与稀土离子掺杂的氮化硅光子集成平台相结合，实现了芯片级锁模激光器纳焦耳级脉冲能量的突破。该设计无需半导体可饱和吸收镜或人工可饱和吸收体，仅依靠波导中的自相位调制和两个光谱偏移的布拉格光栅即可建立锁模，并能耐受集成波导中高达三个数量级于光纤的巨大非线性相移。通过离子注入工艺在标准氮化硅波导中实现高浓度、低损耗的铒掺杂，结合晶圆级制造，使芯片上集成超过300个独立锁模激光器成为可能。所实现的脉冲能量比此前所有集成超快光源高出两个数量级，并且首次实现了无需放大直接驱动片上超连续谱产生和实用化太赫兹时域光谱系统，真正将集成锁模激光器的性能推向了可替代传统固体/光纤激光器的实用门槛。
文章链接：Qiu, Z., Yang, X., Li, X. et al. High-pulse-energy integrated mode-locked laser using a Mamyshev oscillator. Nature 654, 57–63 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10517-4
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