突破！科学家首次在纳米光子芯片上集成高性能激光锁模器

2023-11-13 17:00

激光在日常生活中的应用已经变得相对普遍，它同时也能成为观察、分析和量化自然界中肉眼看不到的事物的重要工具——可惜的是，以往这些任务由于需要使用昂贵的大型仪器，因而受到限制。

来自美国纽约市立大学和美国加州理工学院团队的科学家团队实验证了在纳米光子芯片上制造高性能超快激光器的新方法——他们展示了世界首例集成在薄膜铌酸锂光芯片上的具有高脉冲峰值功率的电泵浦锁模激光器。近期，这项研究已作为封面故事发表在《科学》（Science）杂志上。

该团队领头人郭秋实表示，该研究是基于小型化锁模激光器——它会发出独特的激光，以飞秒的间隔发射出一列超短的相干光脉冲。

超快锁模激光器在揭示自然界最快时间尺度的奥秘中扮演着核心角色，这包括研究化学反应中分子键的形成与破坏，以及探索湍流介质中光传播的动力学。

正是由于快速脉冲峰值强度和广泛的光谱覆盖范围，锁模激光器的发展也推动了各种光子学技术的发展，包括光学原子钟、生物成像和计算机中的基于光的数据计算。

遗憾的是，即便是当下最先进的锁模激光器，也依然既昂贵又耗电，这导致它们的应用目前仍主要限制在实验室环境下。

上述团队的目标是：通过将大型实验室系统转变为可以大规模生产和现场部署的芯片大小的系统，彻底改变超快光子学领域。他们仅想把东西做得更小，而且还想确保这些超快芯片大小的激光器提供令人满意的性能。例如，他们需要足够的脉冲峰值强度，最好超过1瓦，以打造有意义的芯片级系统。

然而，在芯片上实现和集成高效的锁模激光器，是一项具有挑战性的任务。这项研究使用了薄膜铌酸锂（TFLN），一种创新的材料平台。使用这种材料，就可以通过添加外部射频电信号，来精确控制和有效地形成激光脉冲。

在他们的实验中，郭的团队巧妙地将III－V半导体的高激光增益特性与TFLN纳米光子波导的高效脉冲整形能力结合在一起，最终展示了一种输出峰值功率高达0．5瓦的激光器。

除了紧凑的尺寸外，他们展示的锁模激光器还具备诸多令人兴奋的新特性，能够为未来的应用带来巨大的希望。

例如，通过精确调整激光器的泵浦电流，Guo实现了在200兆赫的广泛范围内微调输出脉冲重复频率的能力。利用该演示激光器的强大可重构性，研究团队希望促进芯片级、频率稳定的梳状源，这对精密传感应用至关重要。

虽然实现适用于便携式和手持设备的可扩展、集成、超快光子系统给郭的团队带来了额外的挑战，但目前的演示标志着克服主要障碍的一个重要里程碑。

这一成就为使用手机诊断眼病或分析食物和环境中的大肠杆菌和危险病毒铺平了道路。它还可以帮助打造出未来的芯片级原子钟，在GPS受损或无法使用时实现导航。

科学家们通过这次最新的演示克服了一个重大障碍。尽管如此，科学家们现在正期待着解决开发可扩展、集成、超快光子系统的额外障碍，这些系统可能会被用于便携式和手持设备上。

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