基于集成光子學的可調諧窄線寬芯片級激光器

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，Columbia Engineering公司的利普森納米光子學小組（Lipson Nanophotonics Group）研發(fā)出“其首個可調諧窄線寬芯片級激光器”，這是在量子光學、增強現(xiàn)實（AR）/虛擬現(xiàn)實（VR）激光顯示、生物傳感等有影響力技術方面取得的重大進步。Columbia Engineering研發(fā)團隊評論說：“集成光子學一直缺少實現(xiàn)完全小型化的關鍵器件：高性能、芯片級激光器”。

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

Columbia Engineering公告補充道：“雖然近紅外激光器取得了一些進展，但目前為光子芯片供能的可見光激光器仍然沒有完全芯片化，而且價格昂貴。由于可見光對于包括量子光學、激光顯示和生物成像在內的廣泛應用至關重要，因此需要可調諧窄線寬芯片級激光器來發(fā)射不同顏色的光?！?/p>

Columbia Engineering研究人員開發(fā)出非常純色的芯片級激光器，波長覆蓋從近紫外到近紅外。激光器的顏色可以精確調整并且速度極快——高達每秒267拍赫茲（PHz），這對于量子光學等應用至關重要。

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

“這項工作令人興奮的是，我們利用集成光子學的力量打破了現(xiàn)有的標準，即高性能、可見光范圍的可調諧窄線寬激光器的大體積及高成本（數(shù)萬美元）?！边@項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)模部署需要可調諧窄線寬可見光激光器的技術是不可能的。一個值得注意的例子是量子光學，其需要在單個系統(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為現(xiàn)有技術和新技術實現(xiàn)完全集成的可見光系統(tǒng)。”

研究人員通過選擇法布里-珀羅（FP）二極管作為光源解決了耦合損耗問題，最大限度地降低了損耗對芯片級激光器性能的影響。與使用不同類型光源的其它策略不同，該研究團隊的方法能夠實現(xiàn)創(chuàng)紀錄的短波長（404 nm）激光，同時還提供高光功率的可擴展性，F(xiàn)P激光二極管是一種廉價且緊湊的固態(tài)激光器，廣泛應用于科研和工業(yè)。

然而，F(xiàn)P激光二極管同時發(fā)出多個波長的光并且不容易調諧，這阻礙了其直接用于需要純色的激光應用。通過將FP激光二極管與專門設計的光子芯片相結合，研究人員能夠將激光器發(fā)射的光改變?yōu)閱晤l、窄線寬、可調諧。

該研究團隊通過設計一個集成光子學平臺來克服傳輸損耗問題，該平臺可以同時最小化所有可見光波長的材料吸收和表面散射損耗。為了引導光線，他們使用了氮化硅（SiN），這是一種廣泛用于半導體行業(yè)的電介質，對所有顏色的可見光都是透明的。

“作為一家激光器制造商，我們認識到集成光子學將對激光器行業(yè)產生巨大影響，并將實現(xiàn)迄今為止不可能實現(xiàn)的新一代應用?！盩optica Photonics激光技術總監(jiān)Chris Haimberger說道，“這項工作代表了在追求緊湊和可調諧可見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算、生物醫(yī)療和工業(yè)應用的未來發(fā)展提供動力。”

研究人員已經為他們的技術申請了專利，他們現(xiàn)在正在探索如何對激光器進行光學和電氣封裝，將其變成獨立的單元，并將其用作芯片級可見光引擎、量子實驗和光學時鐘的光源。

“為了向前發(fā)展，我們必須要能夠小型化和擴展這些激光器，使其最終能夠融入大規(guī)模應用部署的技術之中?！盋olumbia Engineering表示，“集成光子學是一個令人興奮的領域，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