1月4日，来自哥伦比亚工程学院的利普森纳米光子学小组（Lipson Nanophotonics Group）发明了全球首个可调谐的窄线宽芯片级激光器，可用于比红色更短的可见波长（绿色、青色、蓝色和紫色）。该激光器意味着该团队在用于AR／VR的量子光学和激光显示器的显著小型化方面获得了重大进步。

（图片来源：Lipson Nanophotonics Group官网）

据悉，当下将系统小型化到芯片中正变得越来越重要，但可惜集成光子学始终缺少实现完全小型化的关键组件——高性能、芯片级激光器。虽然近红外激光器已经取得了一些进展，但目前用于光子芯片的可见光激光器仍然是台式大小的，而且价格昂贵。

不得不提的是，发射波长小于红色的激光为一些关键应用打开了新的可能。例如，显示器需要同时使用红、绿、蓝三种光来构成任何颜色。在量子光学中，绿色、蓝色和紫色激光被用于捕获和冷却原子和离子。在水下激光雷达（光探测和测距）中，为了避免水分吸收，需要使用绿色或蓝色光。然而，在波长小于红色时，光子集成电路的耦合和传播损耗显著增加，阻碍了在这些颜色下高性能激光器的实现。也正因如此，用可调谐的窄线宽芯片级激光器来发射不同颜色的光就变得尤为关键。

仅指尖大小的高性能激光器

发表于《自然·光子学》（Nature Photonics）杂志上的这项研究介绍称，哥伦比亚工程学院Lipson Nanophotonics Group的研究人员发明了一种非常纯色的可见激光器，其光谱颜色覆盖了从近紫外到近红外，可以安装在指尖上。另外，激光器的颜色可以精确地进行调整，而且速度极快（高达每秒267千赫兹），这些优势对量子光学等应用而言都是至关重要的。

在实验中，该团队首次演示了芯片级窄线宽和可调谐激光器，用于比红绿、青色、蓝色和紫色更短波长的光。这些廉价的激光器还具有发射可见光的任何可调谐窄线宽集成激光器中最小的体积和最短的波长（404 nm）。

该研究的主要作者Mateus Corato Zanarella指出，这项研究成果令人兴奋的地方就在于，他们已经利用集成光子学的力量打破了现有的标准，以往高性能可见激光器通常需要台式大小的体积并且花费数万美元——这对于其普及显然是不利的。

到目前为止，研究人员们还是很难实现小型化、大规模部署的可调谐和窄线宽可见激光器的技术。量子光学就是一个很经典的例子就是，它要求在一个系统中使用多种颜色的高性能激光器。上述研究团队预计，他们的发现能够为现有和新技术提供完全集成的可见光系统。

解决耦合和传播损失问题

研究人员通过选择法布里－珀罗（FP）二极管作为光源解决了耦合损耗问题，从而最大限度地减少了损耗对芯片级激光器性能的影响。

与其他使用不同类型光源的策略不同，该团队的方法能够实现创纪录的短波（404 nm）激光，同时还提供高光功率的可扩展性，FP激光二极管是一种廉价且紧凑的固态激光器，能够广泛地应用于研究、工业领域。

然而，它们同时发射几种波长的光，并且不容易调谐，这使它们无法直接用于需要纯净和精确激光的应用。通过将它们与专门设计的光子芯片相结合，研究人员能够将激光发射调整成单频、窄线宽和广泛可调的形态。

该团队设计除了一个平台，它能够最大限度地减少所有可见波长的材料吸收和表面散射损耗，从而克服了传播损失问题。为了引导光线，他们使用了氮化硅——这是一种广泛应用于半导体行业的电介质，对所有颜色的可见光都是透明的。

Toptica Photonics激光技术总监Chris Haimberger表示：“作为一家激光制造商，我们认识到集成光子学将对我们的行业产生巨大的影响，并将实现迄今未能实现的新一代应用。这项研究成果代表着迈向紧凑、可调谐可见激光器的重要一步，它将为计算、医学和工业的未来发展提供动力。”

未来展望：进一步小型化，实现规模化部署

据介绍，研究人员已经为他们的技术申请了临时专利，并且目前正在探索如何通过光学和电气方式将激光封装成独立的单元，并将其用作芯片级可见光引擎、量子实验和光学时钟的光源。

尤金·希金斯（Eugene Higgins）电气工程学教授和应用物理学教授Michal Lipson表示：“为了向前发展，我们必须能够使这些系统小型化和规模化，使它们最终能够无缝嵌入大规模部署的技术之中。集成光子学是一个令人兴奋的领域，从光通信到量子信息再到生物传感，它都在发挥着自己的颠覆性影响力。”