科學(xué)家首次在納米光子芯片上集成高性能激光鎖模器

激光在日常生活中的應(yīng)用已經(jīng)變得相對普遍，它同時(shí)也能成為觀察、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，以往這些任務(wù)由于需要使用昂貴的大型儀器，因而受到限制。

來自美國紐約市立大學(xué)和美國加州理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)證了在納米光子芯片上制造高性能超快激光器的新方法——他們展示了世界首例集成在薄膜鈮酸鋰光芯片上的具有高脈沖峰值功率的電泵浦鎖模激光器。近期，這項(xiàng)研究已作為封面故事發(fā)表在《科學(xué)》（Science）雜志上。

該團(tuán)隊(duì)領(lǐng)頭人郭秋實(shí)表示，該研究是基于小型化鎖模激光器——它會發(fā)出獨(dú)特的激光，以飛秒的間隔發(fā)射出一列超短的相干光脈沖。

超快鎖模激光器在揭示自然界最快時(shí)間尺度的奧秘中扮演著核心角色，這包括研究化學(xué)反應(yīng)中分子鍵的形成與破壞，以及探索湍流介質(zhì)中光傳播的動力學(xué)。

正是由于快速脈沖峰值強(qiáng)度和廣泛的光譜覆蓋范圍，鎖模激光器的發(fā)展也推動了各種光子學(xué)技術(shù)的發(fā)展，包括光學(xué)原子鐘、生物成像和計(jì)算機(jī)中的基于光的數(shù)據(jù)計(jì)算。

遺憾的是，即便是當(dāng)下最先進(jìn)的鎖模激光器，也依然既昂貴又耗電，這導(dǎo)致它們的應(yīng)用目前仍主要限制在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下。

上述團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是：通過將大型實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢源笠?guī)模生產(chǎn)和現(xiàn)場部署的芯片大小的系統(tǒng)，徹底改變超快光子學(xué)領(lǐng)域。他們僅想把東西做得更小，而且還想確保這些超快芯片大小的激光器提供令人滿意的性能。例如，他們需要足夠的脈沖峰值強(qiáng)度，最好超過1瓦，以打造有意義的芯片級系統(tǒng)。

然而，在芯片上實(shí)現(xiàn)和集成高效的鎖模激光器，是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。這項(xiàng)研究使用了薄膜鈮酸鋰（TFLN），一種創(chuàng)新的材料平臺。使用這種材料，就可以通過添加外部射頻電信號，來精確控制和有效地形成激光脈沖。

在他們的實(shí)驗(yàn)中，郭的團(tuán)隊(duì)巧妙地將III-V半導(dǎo)體的高激光增益特性與TFLN納米光子波導(dǎo)的高效脈沖整形能力結(jié)合在一起，最終展示了一種輸出峰值功率高達(dá)0.5瓦的激光器。

除了緊湊的尺寸外，他們展示的鎖模激光器還具備諸多令人興奮的新特性，能夠?yàn)槲磥淼膽?yīng)用帶來巨大的希望。

例如，通過精確調(diào)整激光器的泵浦電流，Guo實(shí)現(xiàn)了在200兆赫的廣泛范圍內(nèi)微調(diào)輸出脈沖重復(fù)頻率的能力。利用該演示激光器的強(qiáng)大可重構(gòu)性，研究團(tuán)隊(duì)希望促進(jìn)芯片級、頻率穩(wěn)定的梳狀源，這對精密傳感應(yīng)用至關(guān)重要。

雖然實(shí)現(xiàn)適用于便攜式和手持設(shè)備的可擴(kuò)展、集成、超快光子系統(tǒng)給郭的團(tuán)隊(duì)帶來了額外的挑戰(zhàn)，但目前的演示標(biāo)志著克服主要障礙的一個(gè)重要里程碑。

這一成就為使用手機(jī)診斷眼病或分析食物和環(huán)境中的大腸桿菌和危險(xiǎn)病毒鋪平了道路。它還可以幫助打造出未來的芯片級原子鐘，在GPS受損或無法使用時(shí)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航。

科學(xué)家們通過這次最新的演示克服了一個(gè)重大障礙。盡管如此，科學(xué)家們現(xiàn)在正期待著解決開發(fā)可擴(kuò)展、集成、超快光子系統(tǒng)的額外障礙，這些系統(tǒng)可能會被用于便攜式和手持設(shè)備上。








審核編輯：劉清