哈佛大学的物理学家开发出一种强大的新型片上激光器，它可以在中红外光谱中发射明亮的脉冲——这是一个难以捉摸但非常有用的光范围，可用于检测气体和启用新的光谱工具。

该设备将大型系统的功能集成到一块微型芯片中，无需任何外部组件。它融合了突破性的光子设计与量子级联激光技术，有望通过一次性检测数千种光频率，很快彻底改变环境监测和医疗诊断。

哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的物理学家们开发出一种紧凑型激光器，能够发射中红外光谱的明亮超短脉冲光——这一波长范围既具有科学价值，又具有技术挑战性。该设备的性能堪比更大型的光子系统，但完全集成在单个芯片上。

这项研究于今日（4月16日）发表在《自然》杂志上，标志着一种无需任何外部元件即可运行的片上皮秒中红外激光脉冲发生器的首次演示。该激光器可以产生光频梳——一种由均匀分布的频率组成的光谱——广泛应用于高精度测量。这个紧凑的平台有望助力实现新一代用于环境监测的广谱气体传感器，以及用于医学成像的先进光谱工具。

这项研究由资深作者、SEAS 应用物理学 Robert L. Wallace 教授 Federico Capasso 和电气工程高级研究员 Vinton Hayes 共同领导。项目由美国国家科学基金会和国防部资助，与维也纳理工大学 (TU Wien) 的 Schwarz 团队、Luigi A. Lugiato 领导的意大利研究团队以及 Timothy Day 指导的 Leonardo DRS Daylight Solutions 公司合作完成。

“这是一项令人兴奋的新技术，它集成了片上非线性光子学，可以产生中红外超短光脉冲；此前从未出现过这样的技术，”卡帕索说道。“更重要的是，这种器件可以在工业激光代工厂使用标准半导体制造工艺轻松生产。”

艺术家绘制的中红外激光芯片示意图，其中光路连接着各个组件。图片来源：罗润克

中红外波段是电磁波谱中不可见的部分，如今已广泛应用于环境领域。由于二氧化碳和甲烷等许多气体分子能够有效吸收中红外光，该波长范围已成为监测环境气体的重要工具，尤其是在卡帕索于20世纪90年代率先开发的量子级联激光技术中。

新论文展示了一种生成宽带光源的途径，该光源可以在单个设备中检测气体的许多不同吸收指纹。

“这是创建我们所谓的超连续谱光源的关键一步，它可以在一个芯片上产生数千种不同频率的光，”论文共同第一作者、卡帕索团队的研究员德米特里·卡扎科夫（Dmitry Kazakov）说道。“我认为这对这个平台的未来发展具有现实的可能性。”

量子级联激光器是纳米光子工程这一新成就的基础，它通过将不同的纳米结构半导体材料层叠在一起，产生相干的中红外光束。与其他几十年来一直依赖成熟的锁模技术产生脉冲的半导体激光器不同，量子级联激光器由于其固有的超快动态特性，仍然难以产生脉冲。

现有的基于量子级联激光器的中红外脉冲发生器通常需要复杂的装置来实现脉冲发射，以及许多分立的硬件组件。它们通常也受限于一定的输出功率和光谱带宽。

量子级联光子集成芯片的光学显微镜图像。图中所示芯片包含两个相同的器件，每个器件包含四个组件：法布里-珀罗驱动激光器、波导耦合器、电阻加热器和跑道谐振器。图片来源：卡帕索实验室/哈佛大学工程与应用科学学院

这种新型脉冲发生器将非线性集成光子学和集成激光器中的多种概念无缝地结合到一个器件中，从而产生特定类型的皮秒光脉冲，即孤子。在设计芯片架构时，研究人员从一种看似无关的光调制器件——克尔微谐振器——中汲取了灵感。他们的创造性思维使他们能够绕过锁模等传统脉冲生成技术。

“在量子级联激光研究中，我们的测量方法并非传统做法，”论文共同第一作者、麻省理工学院研究生、卡帕索团队研究员西奥多·莱苏 (Theodore Letsou) 说道。“我们融合了两种场，并借鉴了克尔谐振腔领域的研究成果，并将其应用到我们的系统中。这是一个激动人心的过程。”

“对我来说，除了令人印象深刻的物理原理之外，我们新研究最重要的影响在于它赋予了我们制造和操作多组件架构的信心，而这此前一直是中红外集成光子学领域的一大挑战，”论文合著者、维也纳技术大学教授贝内迪克特·施瓦茨 (Benedikt Schwarz) 表示。“我们已经在开发新的架构，以实现此前认为不可能实现的功能。”

研究人员借鉴了20世纪80年代发表的一项基础理论，该理论为被动克尔谐振器建立了框架。新论文的合著者之一是Luigi Lugiato，他致力于重新利用原始方程来描述中红外激光系统的动力学。

“这是始于Lugiato-Lefever方程的一段旅程激动人心的巅峰，”意大利因苏布里亚大学名誉教授Lugiato说道。“最初作为被动系统模型，如今已发展成为适用于各种腔体中孤子频率梳的统一框架。这条路径使我们预测了光驱动量子级联激光器中高于阈值的孤子——如今这一结果已被实验证实。”

这种新型中红外激光器能够可靠地持续数小时产生脉冲。至关重要的是，它还可以利用现有的工业制造工艺进行量产，这将大大加快其广泛应用的速度。该器件由三个部分组成：一个可外部驱动的环形谐振器；一个驱动环形谐振器的片上激光器；以及一个充当滤波器的第二个有源环形谐振器。这些芯片由维也纳技术大学制造。

“这项技术有望真正改变中红外光谱领域，”论文合著者、Leonardo DRS日光解决方案业务部高级副总裁兼总经理Timothy Day表示。“利用现有制造工艺实现这些设备的商业化量产，将真正赋能多个市场的未来发展，包括环境监测、工业过程控制、生命科学研究和医疗诊断。”

编译自/ScitechDaily