基于集成光子學(xué)的可調(diào)諧窄線寬芯片級(jí)激光器

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，Columbia Engineering公司的利普森納米光子學(xué)小組（Lipson Nanophotonics Group）研發(fā)出“其首個(gè)可調(diào)諧窄線寬芯片級(jí)激光器”，這是在量子光學(xué)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）/虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）激光顯示、生物傳感等有影響力技術(shù)方面取得的重大進(jìn)步。Columbia Engineering研發(fā)團(tuán)隊(duì)評(píng)論說(shuō)：“集成光子學(xué)一直缺少實(shí)現(xiàn)完全小型化的關(guān)鍵器件：高性能、芯片級(jí)激光器”。

Columbia Engineering研發(fā)的可調(diào)諧窄線寬芯片級(jí)激光器

Columbia Engineering公告補(bǔ)充道：“雖然近紅外激光器取得了一些進(jìn)展，但目前為光子芯片供能的可見(jiàn)光激光器仍然沒(méi)有完全芯片化，而且價(jià)格昂貴。由于可見(jiàn)光對(duì)于包括量子光學(xué)、激光顯示和生物成像在內(nèi)的廣泛應(yīng)用至關(guān)重要，因此需要可調(diào)諧窄線寬芯片級(jí)激光器來(lái)發(fā)射不同顏色的光?！?/p>

Columbia Engineering研究人員開(kāi)發(fā)出非常純色的芯片級(jí)激光器，波長(zhǎng)覆蓋從近紫外到近紅外。激光器的顏色可以精確調(diào)整并且速度極快——高達(dá)每秒267拍赫茲（PHz），這對(duì)于量子光學(xué)等應(yīng)用至關(guān)重要。

該研究團(tuán)隊(duì)率先在Nature Photonics期刊上展示了可調(diào)諧窄線寬芯片級(jí)激光器，用于波長(zhǎng)比紅色更短的光——綠色、青色、藍(lán)色和紫色。該激光器不僅成本低廉，還具有在發(fā)射可見(jiàn)光的任何可調(diào)諧窄線寬集成激光器中最小的體積和最短的波長(zhǎng)（404nm）。

“這項(xiàng)工作令人興奮的是，我們利用集成光子學(xué)的力量打破了現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，即高性能、可見(jiàn)光范圍的可調(diào)諧窄線寬激光器的大體積及高成本（數(shù)萬(wàn)美元）?！边@項(xiàng)工作的主要研究人員之一Mateus Corato Zanarella表示，“到目前為止，縮小和大規(guī)模部署需要可調(diào)諧窄線寬可見(jiàn)光激光器的技術(shù)是不可能的。一個(gè)值得注意的例子是量子光學(xué)，其需要在單個(gè)系統(tǒng)中使用多種顏色的高性能激光器。我們希望我們的研究工作能夠?yàn)楝F(xiàn)有技術(shù)和新技術(shù)實(shí)現(xiàn)完全集成的可見(jiàn)光系統(tǒng)?！?/p>

研究人員通過(guò)選擇法布里-珀羅（FP）二極管作為光源解決了耦合損耗問(wèn)題，最大限度地降低了損耗對(duì)芯片級(jí)激光器性能的影響。與使用不同類型光源的其它策略不同，該研究團(tuán)隊(duì)的方法能夠?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)紀(jì)錄的短波長(zhǎng)（404 nm）激光，同時(shí)還提供高光功率的可擴(kuò)展性，F(xiàn)P激光二極管是一種廉價(jià)且緊湊的固態(tài)激光器，廣泛應(yīng)用于科研和工業(yè)。

然而，F(xiàn)P激光二極管同時(shí)發(fā)出多個(gè)波長(zhǎng)的光并且不容易調(diào)諧，這阻礙了其直接用于需要純色的激光應(yīng)用。通過(guò)將FP激光二極管與專門設(shè)計(jì)的光子芯片相結(jié)合，研究人員能夠?qū)⒓す馄靼l(fā)射的光改變?yōu)閱晤l、窄線寬、可調(diào)諧。

該研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)集成光子學(xué)平臺(tái)來(lái)克服傳輸損耗問(wèn)題，該平臺(tái)可以同時(shí)最小化所有可見(jiàn)光波長(zhǎng)的材料吸收和表面散射損耗。為了引導(dǎo)光線，他們使用了氮化硅（SiN），這是一種廣泛用于半導(dǎo)體行業(yè)的電介質(zhì)，對(duì)所有顏色的可見(jiàn)光都是透明的。

“作為一家激光器制造商，我們認(rèn)識(shí)到集成光子學(xué)將對(duì)激光器行業(yè)產(chǎn)生巨大影響，并將實(shí)現(xiàn)迄今為止不可能實(shí)現(xiàn)的新一代應(yīng)用。”Toptica Photonics激光技術(shù)總監(jiān)Chris Haimberger說(shuō)道，“這項(xiàng)工作代表了在追求緊湊和可調(diào)諧可見(jiàn)光激光器方面向前邁出的重要一步，這種激光器將為量子計(jì)算、生物醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用的未來(lái)發(fā)展提供動(dòng)力?！?/p>

研究人員已經(jīng)為他們的技術(shù)申請(qǐng)了專利，他們現(xiàn)在正在探索如何對(duì)激光器進(jìn)行光學(xué)和電氣封裝，將其變成獨(dú)立的單元，并將其用作芯片級(jí)可見(jiàn)光引擎、量子實(shí)驗(yàn)和光學(xué)時(shí)鐘的光源。

“為了向前發(fā)展，我們必須要能夠小型化和擴(kuò)展這些激光器，使其最終能夠融入大規(guī)模應(yīng)用部署的技術(shù)之中。”Columbia Engineering表示，“集成光子學(xué)是一個(gè)令人興奮的領(lǐng)域，它正在徹底改變我們的世界，從光通信到量子信息，再到生物傳感?！?/p>

審核編輯 ：李倩