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(xué)院）的利普森納米光子學(xué)小組（Lipson Nanophotonics Group）在量子光學(xué)和AR/VR激光顯示器等具有影響力的技術(shù)方面取得了重大進(jìn)展，發(fā)明了首個可調(diào)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(yīng)用物理學(xué)教授 Michal Lipson 領(lǐng)導(dǎo)。
開發(fā)團(tuán)隊談及研究的初衷時表示：“集成光子學(xué)一直缺少實現(xiàn)完全小型化的關(guān)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(jìn)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(xué)、顯示器和生物成像在內(nèi)的廣泛應(yīng)用至關(guān)重要，因此需要可調(diào)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(xué)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(diào)整，而且速度極快，最高可達(dá)每秒267PB，這對于量子光學(xué)等應(yīng)用至關(guān)重要。開發(fā)人員將其描述為“用于AR/VR的量子光學(xué)和激光顯示器的顯著小型化進(jìn)步”。
該團(tuán)隊在發(fā)表在《Nature Photonics（自然光子學(xué)）》的論文中率先展示了芯片級窄線寬和可調(diào)諧激光器，用于波長比紅色更短的光——綠色、青色、藍(lán)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(diào)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(xué)的力量打破了現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，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。”
“到目前為止，還不可能縮小和大規(guī)模部署需要可調(diào)諧和窄線寬可見光激光器的技術(shù)。尤其是量子光學(xué)，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(yù)計，我們的發(fā)現(xiàn)將為現(xiàn)有和新技術(shù)提供完全集成的可見光系統(tǒng)。”
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(tuán)隊的方法能夠?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)紀(jì)錄的短波長 (404nm) 激光，同時還提供高光功率的可擴(kuò)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(yīng)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(diào)諧，這阻礙了它們直接用于需要純凈和精確激光的應(yīng)用。通過將它們與專門設(shè)計的光子芯片相結(jié)合，研究人員能夠?qū)⒓す獍l(fā)射修改為單頻、窄線寬和廣泛可調(diào)諧。
該團(tuán)隊通過設(shè)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(dǎo)光線，他們使用了氮化硅，這是一種廣泛用于半導(dǎo)體行業(yè)的電介質(zhì)，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(rèn)識到集成光子學(xué)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(yīng)用。” Toptica Photonics激光技術(shù)總監(jiān) Chris Haimberger 評價說：“這項工作代表了在追求緊湊和可調(diào)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(xué)和工業(yè)的未來發(fā)展提供動力。”
下一步的工作
據(jù)《激光制造網(wǎng)》了解，該研究團(tuán)隊已經(jīng)為他們的技術(shù)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(jìn)行光學(xué)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(xué)時鐘的光源。
“為了向前發(fā)展，我們必須能夠小型化和規(guī)模化，使它們最終能夠融入大規(guī)模部署的技術(shù)中，”Michal Lipson教授說，“集成光子學(xué)是一個令人興奮的領(lǐng)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。”
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