适合指尖的高性能可见光激光器

随着技术以指数级的速度不断进步，对新设备的需求也相应增加，将系统小型化为芯片变得越来越重要。微电子技术改变了我们操纵电力的方式，使复杂的电子产品成为我们日常生活中不可或缺的一部分。同样，集成光子学一直在彻底改变我们控制光的方式，用于数据通信、成像、传感和生物医学设备等应用。通过使用微米级和纳米级组件对光进行路由和整形，集成光子学将整个光学系统缩小到微型芯片的尺寸。

尽管取得了成功，但集成光子学一直缺少实现完全小型化的关键组件：高性能芯片级激光器。虽然在近红外激光器方面取得了一些进展，但目前为光子芯片供电的可见光激光器仍然是台式的，而且价格昂贵。由于可见光对于包括量子光学、显示器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。

发明适合指尖的高性能激光器

ColumbiaEngineering的LipsonNanophotonicsGroup的研究人员创造了非常纯色的可见激光，从近紫外线到近红外，适合指尖。激光的颜色可以精确调整并且速度极快——高达每秒267拍赫兹，这对于量子光学等应用至关重要。该团队率先展示了芯片级窄线宽和可调谐激光器，适用于低于红光的颜色——绿色、青色、蓝色和紫色。这些廉价的激光器还具有发射可见光的任何可调窄线宽集成激光器中最小的占地面积和最短的波长(404nm)。该研究于2021年5月14日在截止日期后的CLEO2021会议上首次提出，并于2022年12月23日由NaturePhotonics在线发表.

该研究的主要作者MateusCoratoZanarella说：“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范式，即高性能可见激光器需要台式且成本数万美元，”博士学位与希金斯电气工程教授和应用物理学教授MichalLipson一起工作的学生。“到目前为止，缩小和大规模部署需要可调谐和窄线宽可见激光器的技术是不可能的。一个显着的例子是量子光学，它需要在单个系统中使用多种颜色的高性能激光器。我们希望我们的发现将为现有技术和新技术实现完全集成的可见光系统。”

发射低于红色波长的好处

当您考虑一些重要的应用时，发射波长短于红色的激光器的重要性就很明显了。例如，显示器需要同时使用红光、绿光和蓝光来合成任何颜色。在量子光学中，绿色、蓝色和紫色激光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，需要绿光或蓝光来避免吸水。然而，在短于红色的波长下，光子集成电路的耦合和传播损耗显着增加，这阻碍了在这些颜色下实现高性能激光器。

解决耦合和传播损耗问题

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，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他策略不同，该团队的方法能够实现创纪录的短波长(404nm)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，广泛应用于研究和工业。然而，它们同时发出多种波长的光并且不容易调谐，这阻碍了它们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，研究人员能够修改激光发射单频、窄线宽和广泛可调谐。

该团队通过设计一个平台来克服传播损耗问题，该平台可以同时最小化所有可见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，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。即使有最小的吸收，由于制造过程中不可避免的粗糙度，光仍然会受到损失。该团队通过设计带有特殊类型环形谐振器的光子电路解决了这个问题。该环沿其圆周具有可变宽度，允许窄波导的单模操作特性和宽波导的低损耗特性。

CoratoZanarella说：“通过组合这些设计精巧的部件，我们能够构建一个强大的多功能平台，该平台可扩展并适用于所有颜色的光。”

革新技术

TOPTICAPhotonics,Inc.激光技术总监ChrisHaimberger表示：“作为一家激光器制造商，我们认识到集成光子学将对我们的行业产生巨大影响，并将实现迄今为止不可能实现的新一代应用。”这项工作代表了在追求紧凑和可调谐可见激光器方面向前迈出的重要一步，这种激光器将为计算、医学和工业的未来发展提供动力。”

该研究的发现可能会彻底改变广泛的应用，包括：

量子信息。大多数用于量子计算的量子位使用原子或离子，这些原子或离子被捕获并使用可见光探测。光必须非常纯净(窄线宽)并且具有非常特定的波长才能解决原子跃迁问题。目前，可用于这些应用的激光器价格昂贵且是台式的。这项新研究表明，这些笨重的来源可以被微小且廉价的芯片取代，这将使量子系统按比例缩小并最终成为公众可获得的技术的一部分。

原子钟。最精确的时钟基于锶原子，需要同时用许多不同颜色的激光捕获和探测。与量子光学系统类似，目前可用激光器的巨大尺寸将这项技术限制在研究实验室。芯片级激光器将使缩小这些系统成为可能，以制造便携式原子钟。

生物传感。一些神经探针使用一种称为光遗传学的技术来测量、修改和理解神经反应。在这项技术中，神经元被基因改造以产生一种叫做视蛋白的蛋白质，它对可见光敏感。通过将可见光(通常是蓝色)照射到这些细胞中，科学家们可以随意打开特定的神经元。同样，在荧光成像中，荧光团需要用可见光激发才能生成所需的图像。这些高性能、紧凑型激光器为这些系统的小型化打开了大门。

水下测距。水下测距需要蓝光或绿光，因为海水会强烈吸收所有其他颜色的光。此外，对于称为调频连续波LiDAR的流行测距策略，需要快速调谐激光器以准确感测物体的距离和速度。这些激光器可用于采用该技术的便携式水下测距系统。

Li-Fi。随着通信系统中对带宽的需求增加，网络已经变得饱和。Li-Fi或可见光通信是一项快速发展的技术，有望在用户端补充传统的微波链路以克服这一瓶颈。激光器的高调制速度非常适合实现极快的光无线通信链路。

下一步

已经为他们的技术申请了临时专利的研究人员现在正在探索如何对激光器进行光学和电气封装，将它们变成独立的单元，并将它们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，我们必须能够小型化和扩展这些系统，使它们最终能够融入大规模部署的技术中，”利普森说，他是硅光子学的先驱，他的研究从一开始就对这个领域产生了重大影响几十年前，在作为当前光子芯片一部分的有源和无源器件方面做出了基础性贡献。她补充说：“集成光子学是一个令人兴奋的领域，它正在真正改变我们的世界，从光通信到量子信息再到生物传感。”

这项研究的标题是“从近紫外到近红外波长的宽可调窄线宽芯片级激光器”。