基于集成光子学的可调谐窄线宽芯片级激光器

据麦姆斯咨询报道，近日，Columbia Engineering公司的利普森纳米光子学小组（Lipson Nanophotonics Group）研发出“其首个可调谐窄线宽芯片级激光器”，这是在量子光学、增强现实（AR）/虚拟现实（VR）激光显示、生物传感等有影响力技术方面取得的重大进步。Columbia Engineering研发团队评论说：“集成光子学一直缺少实现完全小型化的关键器件：高性能、芯片级激光器”。

Columbia Engineering研发的可调谐窄线宽芯片级激光器

Columbia Engineering公告补充道：“虽然近红外激光器取得了一些进展，但目前为光子芯片供能的可见光激光器仍然没有完全芯片化，而且价格昂贵。由于可见光对于包括量子光学、激光显示和生物成像在内的广泛应用至关重要，因此需要可调谐窄线宽芯片级激光器来发射不同颜色的光。”

Columbia Engineering研究人员开发出非常纯色的芯片级激光器，波长覆盖从近紫外到近红外。激光器的颜色可以精确调整并且速度极快——高达每秒267拍赫兹（PHz），这对于量子光学等应用至关重要。

该研究团队率先在Nature Photonics期刊上展示了可调谐窄线宽芯片级激光器，用于波长比红色更短的光——绿色、青色、蓝色和紫色。该激光器不仅成本低廉，还具有在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（404nm）。

“这项工作令人兴奋的是，我们利用集成光子学的力量打破了现有的标准，即高性能、可见光范围的可调谐窄线宽激光器的大体积及高成本（数万美元）。”这项工作的主要研究人员之一Mateus Corato Zanarella表示，“到目前为止，缩小和大规模部署需要可调谐窄线宽可见光激光器的技术是不可能的。一个值得注意的例子是量子光学，其需要在单个系统中使用多种颜色的高性能激光器。我们希望我们的研究工作能够为现有技术和新技术实现完全集成的可见光系统。”

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，最大限度地降低了损耗对芯片级激光器性能的影响。与使用不同类型光源的其它策略不同，该研究团队的方法能够实现创纪录的短波长（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，广泛应用于科研和工业。

然而，FP激光二极管同时发出多个波长的光并且不容易调谐，这阻碍了其直接用于需要纯色的激光应用。通过将FP激光二极管与专门设计的光子芯片相结合，研究人员能够将激光器发射的光改变为单频、窄线宽、可调谐。

该研究团队通过设计一个集成光子学平台来克服传输损耗问题，该平台可以同时最小化所有可见光波长的材料吸收和表面散射损耗。为了引导光线，他们使用了氮化硅（SiN），这是一种广泛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。

“作为一家激光器制造商，我们认识到集成光子学将对激光器行业产生巨大影响，并将实现迄今为止不可能实现的新一代应用。”Toptica Photonics激光技术总监Chris Haimberger说道，“这项工作代表了在追求紧凑和可调谐可见光激光器方面向前迈出的重要一步，这种激光器将为量子计算、生物医疗和工业应用的未来发展提供动力。”

研究人员已经为他们的技术申请了专利，他们现在正在探索如何对激光器进行光学和电气封装，将其变成独立的单元，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。

“为了向前发展，我们必须要能够小型化和扩展这些激光器，使其最终能够融入大规模应用部署的技术之中。”Columbia Engineering表示，“集成光子学是一个令人兴奋的领域，它正在彻底改变我们的世界，从光通信到量子信息，再到生物传感。”

审核编辑 ：李倩