洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员开发出一种混合装置，大大改进了现有的激光技术。EPFL光子系统实验室（PHOSL）的团队开发出了一种芯片级激光源，在提高半导体激光器性能的同时，还能产生更短的波长。
由半导体激光器激活的微型谐振器。图片来源：2023 EPFL/Alain Herzog – CC-BY-SA 4.0
这项开创性工作由卡米耶-布雷斯（Camille Brès）教授和来自洛桑联邦理工学院工程学院的博士后研究员马可-克莱门蒂（Marco Clementi）领导，是光子学领域的重大进展，对电信、计量学和其他高精度应用具有重要意义。
提高相干性和可视性
这项研究发表在《光： 科学与应用》杂志大流量卡上发表的这项研究揭示了 PHOSL 研究人员如何与光子学和量子测量实验室合作，成功地将半导体激光器与包含微谐振器的氮化硅光子电路集成在一起。这种集成产生了一种混合装置，能够在近红外和可见光范围内发射高度均匀和精确的光，填补了长期以来困扰业界的技术空白。
“半导体激光器在现代技术中无处不在，从智能手机到光纤通信，无所不有。然而，由于缺乏相干性和无法有效产生可见光，它们的潜力一直受到限制，”布雷斯教授解释说。”我们的工作不仅提高了这些激光器的相干性，还将其输出转向可见光谱，为其应用开辟了新途径。”
Camille Brès 教授和 Marco Clementi 在实验室。图片来源： 2023 EPFL大流量卡/Alain Herzog – CC-BY-SA 4.0
这里所说的相干性是指激光器发出的光波相位的一致性。高相干性意味着光波同步，从而产生具有非常精确的颜色或频率的光束。这一特性对于激光光束的精度和稳定性要求极高的应用（如计时和精密传感）来说至关重要。
提高精度和改进功能
该团队的方法是将市面上的半导体激光器与氮化硅芯片耦合在一起。这种微小的芯片是采用行业标准、高性价比的 CMOS 技术制造的。由于氮化硅材料具有优异的低损耗特性，因此几乎没有光被吸收或逃逸。半导体激光器发出的光通过微型波导流入极小的空腔，光束被截留在空腔中。这些被称为微环谐振器的空腔经过精密设计，可在特定频率上产生共振，选择性地放大流量卡大所需的波长，同时衰减其他波长，从而增强发射光的相干性。
另一项重大成就是混合系统能够将商用半导体激光器发出的光的频率提高一倍，从而实现从近红外光谱到可见光光谱的转变。频率和波长之间的关系成反比，也就是说，如果频率增加一倍，波长就会减少一半。虽然近红外光谱可用于通信，但更高的频率对于制造更小、更高效的设备（如原子钟和医疗设备）也是必不可少的，因为这些设备需要更短的波长。
当腔体中的滞留光经历一个称为全光极化的过程后，氮化硅中就会产生所谓的二阶非线性，从而实现更短的波长。这里所说的非线性是指光在与材料相互作用时产生的与频率不成正比的显著变化，即幅度上的跳跃。氮化硅通常不会产生这种特定的二阶非线性效应大流量卡，而研究小组通过一项优雅的工程设计来诱发这种效应： 该系统利用光在腔体内共振时产生电磁波的能力，激发材料的非线性特性。
为未来技术铺平道路
“我们不仅在改进现有技术，还在推动半导体激光器的发展，”在该项目中发挥关键作用的马可-克莱门蒂（Marco Clementi）说。”通过缩小电波长和可见光波长之间的差距，我们为生物医学成像和精确计时等领域的新应用打开了大门。”
这项技术最有前景的应用之一是计量学，特别是在开发紧凑型原子钟方面。导航技术进步的历史取决于精确计时器的便携性–从 16 世纪确定海上经度，到今天确保太空任务的精确导航和实现更好的地理定位。”克莱门蒂指出：”这一重大进步为未来的技术奠定了大流量卡基础，其中一些技术尚待构思。”
该团队对光子学和材料科学的深刻理解有可能带来更小、更轻的设备，并降低激光器的能耗和生产成本。他们有能力利用工业标准制造技术，将一个基本的科学概念转化为实际应用，这凸显了解决复杂技术挑战的潜力，从而带来不可预见的进步。
参考文献：Marco Clementi、Edgars Nitiss、Junqiu Liu、Elena Durán-Valdeiglesias、Sofiane Belahsene、Hélène Debrégeas、Tobias J. Kippenberg 和 Camille-Sophie Brès，”通过自注入锁定全光极化实现芯片级二次谐波源”，2023大流量卡 年 12 月 8 日，《光： 科学与应用》。
DOI: 10.1038/s41377-023-01329-6
编译来源：ScitechDaily
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