哈佛大学SEAS研发出可发射中红外脉冲的单芯片激光器

近日据媒体报道，哈佛大学约翰-保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的物理学家们创造出了一种紧凑型激光器，它能在“有用”的中红外波长范围内发射极亮的短脉冲光，将大型光子设备的性能集成到了一块芯片上。

这项发表在《自然》杂志上的研究，首次展示了无需外部元件即可运行的片上皮秒中红外激光脉冲发生器。该装置可以产生光频梳，即由等间距频率线组成的光谱，目前用于精密测量。有朝一日，这种新型激光芯片可以加速制造用于环境监测的高灵敏度、宽光谱气体传感器，或用于医学成像的新型光谱工具。

论文的资深作者是Federico Capasso教授。这项研究得到了美国国家科学基金会和国防部的支持，是与维也纳技术大学施瓦茨小组、Luigi A. Lugiato领导的意大利科学家联盟以及Timothy Day领导的Leonardo DRS Daylight Solutions公司合作完成。

Capasso实验室研究团队成员合影。光学实验台上陈列着论文所述集成激光源的表征装置，屏幕显示基于量子级联激光器的有源环形谐振腔显微图像——该器件用于演示激光芯片上的亮孤子现象

Capasso教授说：这是一项令人兴奋的新技术，它集成了片上非线性光子技术，可以产生中红外超短光脉冲；在此之前，还没有这样的技术。更重要的是，这种设备可以在工业激光代工厂利用标准半导体制造工艺轻松生产出来。研究小组的共同第一作者兼助理研究员Dmitry Kazakov谈到：这是创造超连续光源的关键一步，它可以在一个芯片中产生数千种不同频率的光。

构建多元组分架构
这一纳米光子学工程新成就的核心，在于量子级联激光器（quantum cascade laser）。该器件通过将不同纳米结构的半导体材料逐层堆叠，产生相干的中红外光束。与数十年来其他依赖锁模技术（mode-locking）产生脉冲的半导体激光器不同，量子级联激光器因其固有的超快动力学特性，始终难以实现脉冲输出。

新型脉冲发生器通过将非线性集成光子学与集成激光器的多项原理无缝整合至单一器件，成功实现了皮秒级孤子光脉冲的稳定输出。研究团队在设计芯片架构时，从看似无关的克尔微谐振腔调制器中获得灵感。

“我们的测量方法在量子级联激光器研究领域具有突破性，”论文共同第一作者、麻省理工学院研究生兼卡帕索研究组成员Theodore Letsou表示，“我们融合了两个学科领域的技术，将克尔谐振腔学界的研究范式移植到系统中。”

量子级联光子集成芯片的光学显微镜图像。所示芯片包含两个相同的装置，每个装置由四个部件组成：法布里-珀罗驱动激光器、波导耦合器、电阻加热器和赛道谐振器

维也纳工业大学教授、论文合著者Benedikt Schwarz强调，这项研究最重要的意义在于验证了多元组分架构的制造可行性，我们正在开发新型架构以实现此前被认为不可能的功能。研究团队借鉴了上世纪80年代提出的基础理论框架——该论文合著者之一Luigi Lugiato曾参与将其原创方程重构应用于中红外激光系统动力学描述。

“这是从卢贾托-莱费弗方程启程的科学探索的巅峰，”意大利因苏布里亚大学荣休教授Lugiato指出，“最初针对被动系统的理论模型，现已发展为适用于各类腔体的孤子光频梳统一框架。这项实验最终证实了我们关于阈值以上光驱动量子级联激光器存在孤子的预言。”

新型中红外激光器可稳定维持数小时连续脉冲输出，更重要的是其完全兼容现有工业制造工艺，这将大幅加速其产业化进程。相关芯片由维也纳工业大学完成制备。

DRS公司日光解决方案事业部高级副总裁Timothy Day评价道，这项技术有望成为中红外光谱领域的革命性突破，利用现有量产工艺制造该器件的能力，将为环境监测、工业流程控制、生命科学研究和医疗诊断等多个市场开启新的可能性。