「激光可以改變世界」，Miarabbas Kiani 說道。

科學(xué)探索需要好奇心，這是許多重要科學(xué)研究的起點。

近日，來自加拿大漢密爾頓麥克馬斯特大學(xué)的博士生 Khadijeh Miarabbas Kiani 使用一種簡單、經(jīng)濟高效的方法演示了在硅上運行的單個激光器。

論文《Lasing in a Hybrid Rare-Earth Silicon Microdisk》已發(fā)表在《Laser & Photonics Reviews》上。值得一提的是，該論文的作者之一 Andrew Knights 是硅光子學(xué)領(lǐng)域的權(quán)威研究者。

論文地址：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202100348

現(xiàn)在 Miarabbas Kiani 等人的研究已經(jīng)在硅上創(chuàng)建了一個單一的激光器，未來該團隊將創(chuàng)建一個在硅光子電路內(nèi)運行的激光器。

從高速通信到自動駕駛，再到醫(yī)療診斷，硅光子學(xué)領(lǐng)域超緊湊、低成本、節(jié)能的光學(xué)系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用價值。然而，由于硅是一種低效的發(fā)光材料，開發(fā)簡單、廉價且可擴展的單片放大器和光源一直是一項重大挑戰(zhàn)。

「硅不是一種很好的激光材料，它是一種很好的探測器材料，但不是一種有效的光發(fā)射器。」Miarabbas Kiani 說道。

論文一作 Khadijeh Miarabbas Kiani

研究概覽

很多研究者都認(rèn)為在硅上制造激光器是一項長期挑戰(zhàn)。早在 1980 年就有人開始嘗試在硅上開發(fā)基于光的電路，不過他們很快就意識到在硅上建造真正的激光器存在很大的障礙。

Miarabbas Kiani 的研究成果不僅在硅芯片上展示了可工作的激光器，而且還是以一種簡單、性價比高的方式實現(xiàn)了這一目標(biāo)，并與現(xiàn)有的制造設(shè)施兼容。這種兼容性是必不可少的，因為它允許以低成本進(jìn)行批量生產(chǎn)。試想一下如果成本太高，你將無法大規(guī)模生產(chǎn)。

在這項研究中，研究者展示了超緊湊混合稀土硅微盤諧振器中的光學(xué)增益和激光。這種激光諧振器結(jié)構(gòu)簡單、堅固、成本低，可以使用現(xiàn)有的晶圓級硅光子制造工藝和單個室溫后處理步驟來實現(xiàn)。與之前的稀土激光器相比，激光腔和輸出直接在硅層中，40-m 直徑的超緊湊器件尺寸與標(biāo)準(zhǔn)無源和有源硅光子器件兼容。

具體來說，該研究展示了 1.9 m 附近的單模激光，使用單片摻銩碲酸鹽增益介質(zhì)和波長 1.6 m 附近的有效泵浦，其中硅是高度透明的，并且商業(yè)泵浦光源很容易獲得。

除了為硅光子微系統(tǒng)給出一種有效且低成本的稀土增益方法以外，此類激光器還為擴展新興 2 m 波段的應(yīng)用提供了動力，這將對通信、非線性和量子光學(xué)以及傳感器領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響。

光學(xué)設(shè)計與制造

下圖展示了微盤（microdisk）激光器結(jié)構(gòu)?；旌霞す馄饔梢粋€集成的硅微盤和總線波導(dǎo)管組成，它們涂有摻銩的氧化碲 (TeO_2:Tm^3+) 層。硅結(jié)構(gòu)是在晶圓級 SOI 平臺上制造的，硅層厚度為 220 納米，由一個 40 微米直徑的硅微盤組成，旁邊是點耦合硅總線波導(dǎo)管。

光學(xué)特性

該研究使用可調(diào)諧激光器和光纖探頭對微盤諧振器的無源傳輸特性進(jìn)行了表征。下圖a 中顯示觀察到與微盤諧振器支持的五種不同 TE 模式相關(guān)的窄諧振。下圖b 測量了各種諧振模式和相關(guān)自由光譜范圍 (FSR) 的內(nèi)部質(zhì)量因子。

傳輸和損耗測量

下圖 a 為激光器測量設(shè)置原理圖，下圖b、c 顯示了微盤諧振器的實驗裝置圖像和顯微圖像。

TeO_2:Tm^(3+)-Si 混合微盤激光器的結(jié)果如下圖所示。

目前，Miarabbas Kiani 正在工程物理系完成第四年的博士研究，她所在的研究小組主要致力于用微型、可大規(guī)模生產(chǎn)且節(jié)能的芯片微系統(tǒng)替代復(fù)雜、笨重且昂貴的光子系統(tǒng)的方法。

這項研究展示的硅芯片上工作的激光器能讓全球制造設(shè)施兼容，簡單且具有成本效益。

Miarabbas Kiani 表示：「在小型集成芯片上制造激光器將創(chuàng)造出強大的設(shè)備」，例如減輕患者疼痛的超精密手術(shù)尖端設(shè)備、降低事故率的傳感器、高速互聯(lián)網(wǎng)等。

Miarabbas Kiani 的聯(lián)合導(dǎo)師 Jonathan Bradley 將這項技術(shù)譽為「光子學(xué)的圣杯」。不過，該研究隨即在 Hacker News 上引起了大家的關(guān)注與討論，有人質(zhì)疑這項研究的實際意義，因為其中用到了稀有的低溫材料，可能并不會節(jié)省成本或高度兼容：

但也有人認(rèn)為這項研究很可能會給 MEMS 傳感器等帶來一些突破，如果還能降低激光器集成于設(shè)備上的成本，就將產(chǎn)生重大影響：

對此，你怎么看？

參考鏈接：

https://brighterworld.mcmaster.ca/articles/laser-on-silicon-khadijeh-miarabbas-kiani/

https://news.ycombinator.com/item?id=29383251