近日據(jù)媒體報(bào)道，哈佛大學(xué)約翰-保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）的物理學(xué)家們創(chuàng)造出了一種緊湊型激光器，它能在“有用”的中紅外波長范圍內(nèi)發(fā)射極亮的短脈沖光，將大型光子設(shè)備的性能集成到了一塊芯片上。

這項(xiàng)發(fā)表在《自然》雜志上的研究，首次展示了無需外部元件即可運(yùn)行的片上皮秒中紅外激光脈沖發(fā)生器。該裝置可以產(chǎn)生光頻梳，即由等間距頻率線組成的光譜，目前用于精密測量。有朝一日，這種新型激光芯片可以加速制造用于環(huán)境監(jiān)測的高靈敏度、寬光譜氣體傳感器，或用于醫(yī)學(xué)成像的新型光譜工具。

論文的資深作者是Federico Capasso教授。這項(xiàng)研究得到了美國國家科學(xué)基金會和國防部的支持，是與維也納技術(shù)大學(xué)施瓦茨小組、Luigi A. Lugiato領(lǐng)導(dǎo)的意大利科學(xué)家聯(lián)盟以及Timothy Day領(lǐng)導(dǎo)的Leonardo DRS Daylight Solutions公司合作完成。

Capasso實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)成員合影。光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺上陳列著論文所述集成激光源的表征裝置，屏幕顯示基于量子級聯(lián)激光器的有源環(huán)形諧振腔顯微圖像——該器件用于演示激光芯片上的亮孤子現(xiàn)象

Capasso教授說：這是一項(xiàng)令人興奮的新技術(shù)，它集成了片上非線性光子技術(shù)，可以產(chǎn)生中紅外超短光脈沖；在此之前，還沒有這樣的技術(shù)。更重要的是，這種設(shè)備可以在工業(yè)激光代工廠利用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造工藝輕松生產(chǎn)出來。研究小組的共同第一作者兼助理研究員Dmitry Kazakov談到：這是創(chuàng)造超連續(xù)光源的關(guān)鍵一步，它可以在一個(gè)芯片中產(chǎn)生數(shù)千種不同頻率的光。

構(gòu)建多元組分架構(gòu)
這一納米光子學(xué)工程新成就的核心，在于量子級聯(lián)激光器（quantum cascade laser）。該器件通過將不同納米結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料逐層堆疊，產(chǎn)生相干的中紅外光束。與數(shù)十年來其他依賴鎖模技術(shù)（mode-locking）產(chǎn)生脈沖的半導(dǎo)體激光器不同，量子級聯(lián)激光器因其固有的超快動力學(xué)特性，始終難以實(shí)現(xiàn)脈沖輸出。

新型脈沖發(fā)生器通過將非線性集成光子學(xué)與集成激光器的多項(xiàng)原理無縫整合至單一器件，成功實(shí)現(xiàn)了皮秒級孤子光脈沖的穩(wěn)定輸出。研究團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)芯片架構(gòu)時(shí)，從看似無關(guān)的克爾微諧振腔調(diào)制器中獲得靈感。

“我們的測量方法在量子級聯(lián)激光器研究領(lǐng)域具有突破性，”論文共同第一作者、麻省理工學(xué)院研究生兼卡帕索研究組成員Theodore Letsou表示，“我們?nèi)诤狭藘蓚€(gè)學(xué)科領(lǐng)域的技術(shù)，將克爾諧振腔學(xué)界的研究范式移植到系統(tǒng)中。”

量子級聯(lián)光子集成芯片的光學(xué)顯微鏡圖像。所示芯片包含兩個(gè)相同的裝置，每個(gè)裝置由四個(gè)部件組成：法布里-珀羅驅(qū)動激光器、波導(dǎo)耦合器、電阻加熱器和賽道諧振器

維也納工業(yè)大學(xué)教授、論文合著者Benedikt Schwarz強(qiáng)調(diào)，這項(xiàng)研究最重要的意義在于驗(yàn)證了多元組分架構(gòu)的制造可行性，我們正在開發(fā)新型架構(gòu)以實(shí)現(xiàn)此前被認(rèn)為不可能的功能。研究團(tuán)隊(duì)借鑒了上世紀(jì)80年代提出的基礎(chǔ)理論框架——該論文合著者之一Luigi Lugiato曾參與將其原創(chuàng)方程重構(gòu)應(yīng)用于中紅外激光系統(tǒng)動力學(xué)描述。

“這是從盧賈托-萊費(fèi)弗方程啟程的科學(xué)探索的巔峰，”意大利因蘇布里亞大學(xué)榮休教授Lugiato指出，“最初針對被動系統(tǒng)的理論模型，現(xiàn)已發(fā)展為適用于各類腔體的孤子光頻梳統(tǒng)一框架。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)最終證實(shí)了我們關(guān)于閾值以上光驅(qū)動量子級聯(lián)激光器存在孤子的預(yù)言。”

新型中紅外激光器可穩(wěn)定維持?jǐn)?shù)小時(shí)連續(xù)脈沖輸出，更重要的是其完全兼容現(xiàn)有工業(yè)制造工藝，這將大幅加速其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。相關(guān)芯片由維也納工業(yè)大學(xué)完成制備。

DRS公司日光解決方案事業(yè)部高級副總裁Timothy Day評價(jià)道，這項(xiàng)技術(shù)有望成為中紅外光譜領(lǐng)域的革命性突破，利用現(xiàn)有量產(chǎn)工藝制造該器件的能力，將為環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)流程控制、生命科學(xué)研究和醫(yī)療診斷等多個(gè)市場開啟新的可能性。