导读

在超快科学与非线性光学领域，超短光脉冲是研究电子动力学、强场光学以及阿秒物理的重要工具。然而，传统产生超短脉冲的系统通常依赖复杂而庞大的光学设备，限制了其在集成光子学与片上系统中的应用。

近日，来自美国加州理工学院的研究团队提出了一种基于纳米光子器件中的双色孤子压缩机制实现超短光脉冲的新方法，实现了接近两个光学周期的超短脉冲生成。该方法利用铌酸锂纳米光子平台中的二阶非线性效应，通过精确的色散工程与相位匹配调控，在仅约3 pJ的输入能量下实现了约13 fs、中心波长2 µm的超短脉冲压缩。这一研究成果为实现片上单周期脉冲合成和亚周期控制提供了重要技术路径，有望推动超快光学系统的小型化与集成化发展。

该研究成果近日发表于国际顶级学术期刊《Light: Science & Applications》，题为“Two-optical-cycle pulses from nanophotonic two-color soliton compression”。加州理工学院的Robert M. Gray为论文第一作者，Alireza Marandi为通讯作者。

研究背景

超短光脉冲（飞秒以至于阿秒量级）凭借其极短的时间尺度，成为研究人员直接观测和操控电子运动、分子动力学以及固体中的超快过程的核心工具，在现代科学研究中发挥着关键作用。此外，高峰值功率的超短脉冲还能够驱动高次谐波产生等强非线性光学效应，为探索光与物质相互作用提供了重要支撑。

传统产生超短脉冲的技术通常分为两个阶段：首先利用非线性光学过程产生超宽带相干光谱，再借助复杂的相位补偿系统对不同频率分量进行相位调控和时域压缩，获得极短脉冲。这类方案往往需要体积庞大的光学装置和复杂的光路设计，难以与集成光子芯片相兼容。

孤子压缩则提供了一种更为简洁的实现方案（soliton compression）。在该机制中，非线性效应引入的相位变化可以被材料的色散效应补偿，从而直接产生短脉冲。然而，传统孤子压缩主要依赖三阶Kerr非线性效应，通常需要较高的输入能量和特定的色散条件。因此，如何在集成光子器件中利用更强的二阶非线性效应实现高效的超短脉冲压缩，成为近年来的重要研究方向。

创新研究

针对上述挑战，研究团队提出并实验验证了一种基于二阶非线性双色孤子动力学的脉冲压缩机制，并在铌酸锂纳米光子平台上实现了实验演示。首先，研究人员通过精确设计波导色散特性并在接近相位匹配的条件下工作，使基频光与其产生的二次谐波之间形成强耦合。这种二阶非线性过程能够产生类似于Kerr非线性的有效自相位调制效应，同时利用更强的非线性响应，从而实现更高效的脉冲压缩（见图1）。

其次，该方案自然地产生了双色光场结构：即基频波与二次谐波同时存在并相互作用。这种双波长结构不仅能够增强孤子压缩过程，还为后续多色脉冲合成与超快波形控制提供了新的自由度。实验结果表明，该纳米光子系统能够在极低能量条件下实现显著的脉冲压缩。研究团队成功生成了约13飞秒、接近两个光学周期的脉冲，输入能量仅约 3 pJ（见图2）。基于这一结果，研究团队还提出了进一步在纳米光子学器件中实现集成化的单周期脉冲合成器方案（见图3）。与传统体光学系统相比，研究团队所提出的上述方法在效率、体积和集成度方面具有显著优势，为片上超快光学系统的发展提供了新的技术路线。

图1：纳米光子器件中的双色孤子脉冲压缩。a 以基频（ω）脉冲作为泵浦，输入到经过色散工程设计的纳米光子波导中，该波导用于实现失配相位条件下的二次谐波（2ω）产生。通过双色孤子压缩机制，可以获得在基频和二次谐波处共同传播的超短脉冲。b 实际测量得到的波导显微镜图像，可观察到不同谐波之间的往返转换过程。c 波导中基频（上图）与二次谐波（下图）随归一化的传播距离z而演化的数值模拟结果。d 波导中标记位置处的基频与二次谐波的时间域脉冲轮廓。

图2：实验实现二阶孤子压缩。a 测量得到以及反演重建得到的基频输入脉冲的二次谐波产生的频率分辨光学门控（frequency-resolved optical gating，FROG）迹线。b 输入脉冲的时间域轮廓，以及c 对应的光谱。d 压缩器输出脉冲的 X-FROG 测量与反演结果。e 输出基频脉冲的时间域轮廓，以及f对应的光谱。g 由 FROG 重建得到的光谱与光谱分析仪测量光谱的叠加对比。h 二次谐波输出脉冲的时间域轮廓，以及i对应的光谱。

图3：集成化单周期脉冲合成器方案。a 用于实现单周期脉冲合成的纳米光子电路架构示意图。b 通过调控输入包络相位Δ?ω所得到的模拟波形。c 模拟得到的合成单周期脉冲波形，以及d 对应的电场分布。e 基于实验测得脉冲进行合成后所预期得到的波形。

总结与展望

该研究结合色散工程与相位匹配设计，利用铌酸锂材料的强二阶非线性，首次在纳米光子平台上利用双色二阶孤子动力学，实现了接近两光学周期的超短脉冲压缩，实现了高效率、低能量的脉冲压缩过程，展示了在片上光学系统中产生极短脉冲的潜力。这一成果为未来构建集成化超快光学系统奠定了重要基础，并为实现片上单周期脉冲合成与亚周期波形控制提供了新的技术路径。随着纳米光子技术的进一步发展，该方法有望被应用于阿秒科学、强场物理、精密光谱学以及高速光信息处理等多个前沿领域。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-026-02187-8