Nature | 首次解锁“连续可调”光频梳：一枚“能自由打节拍”的半导体激光器

在很多人的常规认知里，激光器像一台极其守规矩的“光学节拍器”——它什么时候出脉冲、脉冲之间隔多远、频率间隔是多少，早已被谐振腔长度写好。腔有多长，节拍就有多快；模式能落在哪些频率上，也基本提前注定。也正因如此，传统激光器虽然性能强大，却始终有一个不太容易突破的限制，那就是它很难真正连续、宽范围地改变自己的输出节奏。但在高分辨光谱、双频梳测量、精密传感以及高速集成光源等应用中，人们越来越需要一种“节拍可自由调节”的激光器。

近日，苏黎世联邦理工学院、哈佛大学和慕尼黑工业大学研究团队在Nature 发表题为“Continuously tunable coherent pulse generation in a semiconductor laser” 的最新成果，提出并实验证明了一种全新的半导体激光工作方式：通过沿整个激光腔施加时空微波调制，让单片半导体激光器直接产生重复频率连续可调的相干脉冲列，并在频域形成模间距连续可调的频率梳。 这意味着，激光器首次真正拥有了“自由打节拍”的能力。

激光器的“节拍”，为什么总被腔长卡住？

激光器之所以常常调不动，根本原因在于光学谐振腔。对于常见的法布里-珀罗型激光器，相邻模式之间的频率间隔，也就是脉冲重复频率，本质上由腔长决定。腔长不变，输出模式就只能落在一系列离散频率上，即便通过锁模等方式调控，也往往只能在有限范围内变化，难以实现真正意义上的连续、大跨度、无间隙调谐。这就像一根固定长度的琴弦，你可以改变演奏方式，但最自然发出的音高依旧被弦长限制。过去，人们尝试过外腔可调结构、主动锁模、电光频梳等多种方案，但这些方法往往需要附加器件、机械调节，或者只能实现离散变化；真正做到单芯片、连续调、范围大，还保持相干稳定，一直不是一件容易的事。

图1 激光器连续可调谐相干脉冲生成原理示意图。与传统主动锁模中局域、固定的增益窗口不同，该工作通过沿整个激光腔施加时空微波调制，形成可移动的净增益窗口，从而实现脉冲重复频率的连续调谐

这项工作的巧妙之处在于，它没有继续沿着“改腔长”的老路往前走，而是换了一个更聪明的办法，去改变脉冲在腔内被推动的方式。研究团队通过外加微波信号调制激光偏置，让整个激光腔都参与到时空调制中，从而形成一个沿腔体传播的“行进式净增益窗口”。在传统有源锁模激光器中，调制器通常只占据腔体的小段区域，更像一个固定位置的“闸门”，而在这项研究中，调制本身变成了一条会移动的“引导带”，能够随着外部微波频率变化而改变行进速度。于是，腔内光脉冲不再只是沿着天然群速度传播，而会在增益和损耗梯度作用下被持续“牵引”——有时加速，有时减速，直到它的往返节拍与外部微波频率同步。研究人员将这一机制归结为“脉冲牵引（pulse pulling）效应”，本质上是利用时空增益调制主动塑造脉冲在腔中的平均群速度。

图2 实验器件结构与工作平台示意图。研究团队采用太赫兹量子级联激光器作为实验平台，通过在整个腔体范围内引入微波场，实现对腔内增益的时空调制，为连续可调谐锁模提供基础

为了验证这一机制，研究团队选用了太赫兹量子级联激光器作为实验平台。实验器件长度为6 mm，自然重复频率约为6.61 GHz。结果显示，在强微波驱动下，器件输出频率梳的模间距可以随着调制频率在4 GHz到16 GHz之间连续变化，相当于实现了400% 的调谐范围。更重要的是，这并不是简单的频谱漂移，而是对应着一列列真正的相干脉冲列，时域中的脉冲重复频率与外部微波信号一致，频域中的模间距也同步连续变化。研究团队进一步利用SWIFT光谱技术验证了输出的相干性与稳定性，结果表明，在整个调制范围内都能得到清晰、稳定、可重复的相干脉冲列，且实验结果与数值模拟高度一致。也就是说，这不是某种偶然出现的边界现象，而是一种具有明确动力学支撑的新型锁模工作机制。

研究团队还将这种单片半导体激光器用于吸收光谱实验，结果显示，仅通过扫描微波调制频率并记录探测器强度信号，就成功重建出了水蒸气在2.97 THz附近的吸收谱线，而且在中心频率、线宽和吸收深度等关键指标上，与标准FTIR光谱仪结果吻合良好。换句话说，这种激光器不仅“能自由打节拍”，而且已经展现出进入实际测量场景的潜力。这项研究更重要的意义在于，它改变了人们对“频率梳可调性”实现方式的想象。过去，连续可调频梳依赖复杂外腔、级联调制器或非线性光学系统，而这项工作给出的答案，是把“连续调谐”直接做进一枚单片半导体激光器内部。研究人员指出，这种器件没有机械运动部件，完全依赖电子控制，可实现约1μs量级的快速重复频率调节。同时，这一思路还有望推广到其他半导体激光器，扩展到红外乃至可见光波段。

图3 可调谐半导体频梳用于吸收光谱测量。研究团队利用该器件对水蒸气在 2.97 THz 附近的吸收线进行了重建，结果与标准 FTIR 光谱测量高度一致，验证了其在实际光谱测量场景中的应用潜力

长期以来，激光器的节拍似乎总是由腔长决定，而这项研究的启发是：真正的自由，也许不在腔外，而在腔内。当研究人员学会在整个激光腔中塑造一个可移动的时空增益窗口，光脉冲便不再被固定节拍束缚，而能够在电子信号的牵引下被重新编排。从固定节拍到连续调谐，从被动服从腔模到主动塑造时频结构，它不仅让单片激光器拥有了前所未有的“节拍自由度”，也为未来更加灵活、紧凑、可编程的芯片级频梳光源打开了想象空间。对于高分辨光谱、双频梳探测、精密传感乃至下一代集成光子系统来说，这或许是一次值得关注的重要跃迁。这一步，也许正是芯片级激光器从“能发光”走向“会编排光”的重要转折。（原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-026-10387-w）

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科学编辑 | 刘俊辰

编辑 | 徐睿