国外开发出首个集成芯片级光子电路的掺钛蓝宝石激光器

2023-01-29 12:00

近日，国外研究团队宣布开发出全球首个集成了芯片级光子电路的掺钛蓝宝石激光器，该突破将进一步推进激光在原子钟、量子计算和光谱传感器等领域的应用。该研究结果发表在《自然·光子学》（Nature Photonics）杂志上。

集成Ti：Sa光子电路的光学装置示意图（图片来源：Yale University）

20世纪80年代，科学家们首次成功打造出了掺钛蓝宝石激光器，从而带来了激光领域的一个重大进步。而这一成就背后的关键，在于作为增益介质的材料（放大激光能量的材料）——掺杂钛离子的蓝宝石被用作增益介质之后，物理学、生物学和化学领域的一系列重大发现和应用也随之而来。

如今，紧凑式钛蓝宝石激光器成为了许多学术和工业实验室的必备设备。然而，这种激光器的大带宽是以相对较高的阈值为代价的，这些系统往往需要很高的泵浦功率。也正因如此，这些激光器价格昂贵，占用大量空间，在很大程度上限制了它们在实验室研究中的使用。如果不克服这一限制，钛蓝宝石激光器就仍然局限于面向小众客户的应用。

紧凑窄线宽可见激光器已经成为了光学传感、计量和通信以及精密原子和分子光谱学的关键部件。将钛蓝宝石激光器的性能与芯片的小尺寸优势相结合，可以推动以往那些受功耗或空间限制的应用，比如原子钟、便携式传感器、可见光通信设备，甚至量子计算芯片。

而上述提到的芯片级掺钛蓝宝石激光器提供了迄今为止在芯片上见过的最宽的增益光谱，为众多新应用打开了可能。其关键就在于所用激光器本身的低阈值：传统的掺钛蓝宝石激光器的阈值超过100毫瓦，而最新打造出来的这种芯片级掺钛蓝宝石激光器系统的阈值仅约为6．5毫瓦（mW）。而且研究团队相信，通过进一步的调整，他们可以进一步将功率降低到1毫瓦。

他们将泵浦和激光模式严格限制在单个微环谐振腔中，演示了可实现730 nm到830 nm波长范围的Ti：Sa激光器。该激光器将Ti：Sa增益介质与硅氮化蓝宝石集成光子平台相结合，具有高便携性和最低功耗。此外，他们开发的系统还兼容氮化镓光电子器件，这些光电器件广泛用于蓝色LED和激光器。