由 Lipson Nanophotonics Group 創(chuàng)建的集成激光平臺。    

    近日，《激光制造網(wǎng)》獲悉，Columbia Engineering（哥倫比亞工程學院）的利普森納米光子學小組（Lipson Nanophotonics Group）在量子光學和AR/VR激光顯示器等具有影響力的技術方面取得了重大進展，發(fā)明了首個可調諧的窄線寬芯片級激光器，適用于比紅色更短的可見光波長。該研究小組由電氣工程教授和應用物理學教授 Michal Lipson 領導。

    開發(fā)團隊談及研究的初衷時表示：“集成光子學一直缺少實現(xiàn)完全小型化的關鍵組件：高性能、芯片級激光器。雖然近紅外激光器已經(jīng)取得了一些進展，但目前為光子芯片供電的可見光激光器仍然是臺式的，而且價格高昂。由于可見光對于包括量子光學、顯示器和生物成像在內的廣泛應用至關重要，因此需要可調諧窄線寬芯片級激光器來發(fā)射不同顏色的光。”

指尖大小的激光器

    利普森納米光子學小組的研究人員已經(jīng)創(chuàng)造出了從近紫外到近紅外的非常純凈的可見光激光器，可以安裝在指尖上。激光器的顏色可以精確調整，而且速度極快，最高可達每秒267PB，這對于量子光學等應用至關重要。開發(fā)人員將其描述為“用于AR/VR的量子光學和激光顯示器的顯著小型化進步”。

    該團隊在發(fā)表在《Nature Photonics（自然光子學）》的論文中率先展示了芯片級窄線寬和可調諧激光器，用于波長比紅色更短的光——綠色、青色、藍色和紫色。這些廉價的激光器還具有發(fā)射可見光的任何可調諧窄線寬集成激光器中最小的體積和最短的波長（404 nm）。

    該論文的主要作者 Mateus Corato Zanarella博士表示：“這項工作令人興奮的是，我們利用集成光子學的力量打破了現(xiàn)有的標準，即高性能可見光激光器必須是臺式的，并且需要花費數(shù)萬美元?！?strong> 

    “到目前為止，還不可能縮小和大規(guī)模部署需要可調諧和窄線寬可見光激光器的技術。尤其是量子光學，它需要在單個系統(tǒng)中使用多種顏色的高性能激光器。我們預計，我們的發(fā)現(xiàn)將為現(xiàn)有和新技術提供完全集成的可見光系統(tǒng)?！?/p>

耦合和傳播損耗問題的解決方案

    研究人員通過選擇Fabry-Perot（FP，法布里-珀羅 ）二極管作為光源來解決了耦合損耗問題，這最大限度地降低了損耗對芯片級激光器性能的影響。

    與使用不同類型光源的其他策略不同，該團隊的方法能夠實現(xiàn)創(chuàng)紀錄的短波長 (404nm) 激光，同時還提供高光功率的可擴展性。FP激光二極管是一種廉價且緊湊的固態(tài)激光器，廣泛應用于研究和工業(yè)。

    然而，它們同時發(fā)出多種波長的光并不容易調諧，這阻礙了它們直接用于需要純凈和精確激光的應用。通過將它們與專門設計的光子芯片相結合，研究人員能夠將激光發(fā)射修改為單頻、窄線寬和廣泛可調諧。

    該團隊通過設計一個平臺來克服傳播損耗問題，該平臺可以同時最小化所有可見波長的材料吸收和表面散射損耗。為了引導光線，他們使用了氮化硅，這是一種廣泛用于半導體行業(yè)的電介質，對所有顏色的可見光都是透明的。

    “作為一家激光器制造商，我們認識到集成光子學將對我們的行業(yè)產(chǎn)生巨大影響，并將實現(xiàn)迄今為止不可能實現(xiàn)的新一代應用?！?Toptica Photonics激光技術總監(jiān) Chris Haimberger 評價說：“這項工作代表了在追求緊湊和可調諧可見激光器方面向前邁出的重要一步，這種激光器將為計算、醫(yī)學和工業(yè)的未來發(fā)展提供動力?！?/p>

下一步的工作

    據(jù)《激光制造網(wǎng)》了解，該研究團隊已經(jīng)為他們的技術申請了臨時專利。研究人員現(xiàn)在正在探索如何對激光器進行光學和電氣封裝，將它們變成獨立的單元，并將它們用作芯片級可見光引擎、量子實驗和光學時鐘的光源。

    “為了向前發(fā)展，我們必須能夠小型化和規(guī)?；?，使它們最終能夠融入大規(guī)模部署的技術中，”Michal Lipson教授說，“集成光子學是一個令人興奮的領域，它正在徹底改變我們的世界，從光通信到量子信息再到生物傳感等?！?/p>