洛桑联邦理工学院的研究人员开发了一种混合设备，可以显着改进现有的、无处不在的激光技术。

洛桑联邦理工学院光子系统实验室(PHOSL)的团队开发了一种芯片级激光源，可以增强半导体激光器的性能，同时能够产生更短的波长。这项开创性工作由洛桑联邦理工学院工程学院的 Camille Brès 教授和博士后研究员 Marco Clementi 领导，代表了光子学领域的重大进步，对电信、计量和其他高精度应用具有重要意义。

这项发表在《光：科学与应用》杂志上的研究揭示了 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。这种集成使得混合设备能够在近透视 和可见光范围内发射高度均匀和精确的光，填补了长期挑战该行业的技术空白。

“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，无所不在。然而，它们的潜力因缺乏相干性和无法有效产生可见光而受到限制，”布雷斯教授解释道。“我们的工作不仅提高了这些激光器的相干性，而且还将它们的输出转向可见光谱，为其使用开辟了新的途径。”

在本文中，相干性是指激光器发射的光波相位的均匀性。高相干性意味着光波是同步的，从而产生具有非常精确的颜色或频率的光束。这一特性对于激光束的精度和稳定性至关重要的应用至关重要，例如计时和精密传感。

提高精度和改进功能

该团队的方法是将商用半导体激光器与氮化硅芯片耦合起​​来。这款微型芯片采用行业标准、经济高效的 CMOS 技术制造。由于该材料具有出色的低损耗特性，几乎没有光被吸收或逸出。来自半导体激光器的光通过微观波导流入极小的空腔，光束被捕获在那里。这些腔体被称为微环谐振器，经过精心设计，可在特定频率下谐振，选择性地放大所需波长，同时衰减其他波长，从而增强发射光的相干性。

另一个重大成就是混合系统能够将商用半导体激光器发出的光频率加倍，从而实现从近透视 光谱到可见光谱的转变。频率和波长之间的关系成反比，这意味着如果频率加倍，波长就会减少一半。虽然近透视 光谱用于电信，但对于构​​建更小、更高效、需要更短波长的设备(例如原子钟和医疗设备)而言，更高的频率至关重要。

当腔中的捕获光经历称为全光极化的过程时，就会实现这些较短的波长，该过程会在氮化硅中产生所谓的二阶非线性。在这种情况下，非线性意味着光的行为发生了显着的变化，即幅度的跳跃，这种变化与其频率不成正比，这是由光与材料的相互作用引起的。氮化硅通常不会产生这种特定的二阶非线性效应，该团队执行了一项优雅的工程壮举来诱导它：系统利用光的能力，当在腔内谐振时，产生激发非线性特性的电磁波在材料中。

面向未来应用的赋能技术

“我们不仅改进了现有技术，而且还突破了半导体激光器的可能性界限，”在该项目中发挥关键作用的 Marco Clementi 说道。“通过弥合电信和可见波长之间的差距，我们为生物医学成像和精密计时等领域的新应用打开了大门。

该技术最有前途的应用之一是计量学，特别是紧凑原子钟的开发。导航进步的历史取决于精确时计的便携性——从 16 世纪确定海上经度到确保当今太空任务的精确导航以及实现更好的地理定位。“这一重大进步为未来技术奠定了基础，其中一些技术尚未构思，”克莱门蒂指出。

该团队对光子学和材料科学的深刻理解将有可能带来更小、更轻的设备，并降低激光器的能耗和生产成本。他们能够采用行业标准制造将基本科学概念转化为实际应用，这突显了解决复杂技术挑战的潜力，这些挑战可能会带来不可预见的进步。

参考