基于納米光子鈮酸鋰的芯片級(jí)超快鎖模激光器

激光是觀察、探測(cè)和測(cè)量自然界中我們用肉眼看不到的東西的重要工具。但是，執(zhí)行這些任務(wù)的能力往往受到使用昂貴的大型儀器的需求的限制。

最新發(fā)表在《科學(xué)》雜志的一篇封面論文中，研究人員Qiushi Guo展示了一種在納米光子芯片上制造高性能超快激光器的新方法。他的工作集中在小型化鎖模激光器上，這是一種獨(dú)特的激光器，以飛秒為間隔發(fā)射一連串超短相干光脈沖，其時(shí)間間隔僅為驚人的千萬(wàn)億分之一秒。

超快鎖模激光器對(duì)于揭開(kāi)自然界最快時(shí)間尺度的秘密是必不可少的，例如化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中分子鍵的建立或破壞，或湍流介質(zhì)中的光傳播。鎖模激光器的高速、脈沖峰值強(qiáng)度和寬光譜覆蓋也使許多光子技術(shù)成為可能，包括光學(xué)原子鐘、生物成像和使用光計(jì)算和處理數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)。

不幸的是，目前最先進(jìn)的鎖模激光器是昂貴的、功率需求高的臺(tái)式系統(tǒng)，僅限于實(shí)驗(yàn)室使用。

紐約市立大學(xué)高級(jí)科學(xué)研究中心光子學(xué)計(jì)劃教師、紐約市立大學(xué)研究生中心物理學(xué)Guo教授說(shuō)：“我們的目標(biāo)是通過(guò)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(chǎng)部署的芯片尺寸系統(tǒng)，徹底改變超快光子學(xué)領(lǐng)域。我們不僅想讓東西變得更小，而且還想確保這些超快芯片尺寸的激光器提供令人滿(mǎn)意的性能。例如，我們需要足夠的脈沖峰值強(qiáng)度，最好超過(guò)1瓦，以創(chuàng)建有意義的芯片級(jí)系統(tǒng)。”

然而，在芯片上實(shí)現(xiàn)有效的鎖模激光器并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的過(guò)程。Guo教授的研究利用了一種新興的材料平臺(tái)，即薄膜鈮酸鋰(TFLN)。這種材料通過(guò)施加外部射頻電信號(hào)，可以對(duì)激光脈沖進(jìn)行非常有效的整形和精確控制。

在他們的實(shí)驗(yàn)中，Guo的團(tuán)隊(duì)將III-V半導(dǎo)體的高激光增益和TFLN納米級(jí)光子波導(dǎo)的高效脈沖整形能力獨(dú)特地結(jié)合在一起，展示了一種可以發(fā)出0.5瓦特高輸出峰值功率的激光器。

除了緊湊的尺寸，演示的鎖模激光器還表現(xiàn)出許多傳統(tǒng)激光器無(wú)法企及的有趣特性，為未來(lái)的應(yīng)用提供了深遠(yuǎn)的意義。

例如，通過(guò)調(diào)整激光器的泵浦電流，Guo能夠精確地調(diào)整輸出脈沖的重復(fù)頻率，范圍在200 MHz的非常寬的范圍內(nèi)。通過(guò)利用演示激光器的強(qiáng)大可重構(gòu)性，研究小組希望實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)、頻率穩(wěn)定的梳狀光源，這對(duì)精確傳感至關(guān)重要。

Guo的團(tuán)隊(duì)需要應(yīng)對(duì)額外的挑戰(zhàn)，以實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展、集成的、超快的光子系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以轉(zhuǎn)化為便攜式和手持設(shè)備使用，但他的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)克服了當(dāng)前演示中的一個(gè)主要障礙。

Guo先生說(shuō)：“這一成就為最終使用手機(jī)診斷眼部疾病，分析食物中的大腸桿菌、環(huán)境中危險(xiǎn)病毒等鋪平了道路。它還可以實(shí)現(xiàn)未來(lái)的芯片級(jí)原子鐘，在GPS受到威脅或不可用時(shí)進(jìn)行導(dǎo)航。”

審核編輯 黃宇