芯片上完全集成的超連續(xù)譜源對于實現(xiàn)便攜式和機械穩(wěn)定的醫(yī)學(xué)成像設(shè)備、化學(xué)傳感以及光檢測和測距等應(yīng)用至關(guān)重要。然而，當(dāng)前超連續(xù)譜生成方案的低效率阻礙了芯片上的完全集成。
據(jù)《激光制造網(wǎng)》了解，近日，一組來自荷蘭特溫特大學(xué)的研究人員在《高級光子學(xué)研究》刊物上發(fā)表論文稱，“a breakthrough in ultraefficient on-chip supercontinuum generation（超高效芯片上超連續(xù)譜生成的突破）”。
圖為論文作者。Superlight Photonics創(chuàng)始人Haider Zia和首席執(zhí)行官Jaap Beernink。
通常，激光器發(fā)出的光是相干的——它們發(fā)出的波在頻率和波形上是相同的。相干光可以以非常低的噪聲將窄光束發(fā)送至極遠的距離。但這也意味著這種激光器通常只發(fā)射單一波長。這限制了它們的應(yīng)用。相比之下，超連續(xù)光譜激光器能夠產(chǎn)生連續(xù)的光譜，因此可以呈現(xiàn)白色。
它們用于3D成像設(shè)備。然而，事實證明，為了產(chǎn)生如此寬的顏色帶寬，超連續(xù)光譜激光器具有高峰值功耗（脈沖能量），而且非常巨大，必須在實驗室中穩(wěn)定。這使它們變得昂貴，且沒有用武之地。
對此，特溫特研究人員設(shè)法顯著減少了所需的脈沖能量。為此，該團隊使用了所謂的符號交替色散波導(dǎo)。波導(dǎo)被設(shè)計成通過交替加寬和變窄光束來控制光的色散。
荷蘭特溫特大學(xué)的研究團隊提出了一種方案，其中集成超連續(xù)譜生成的輸入能量需求大幅降低了幾個數(shù)量級，帶寬生成的數(shù)量級為500–1000nm。通過在CMOS兼容的氮化硅波導(dǎo)中的符號交替色散，效率提高了2800倍。
“研究表明，在高光譜功率（例如：1/e level）下產(chǎn)生大帶寬超連續(xù)譜所需的脈沖能量從納米焦耳降低到6皮焦耳。脈沖能量的降低使芯片集成激光源（如異質(zhì)鎖模或混合集成二極管激光器）可以用作泵浦源，從而實現(xiàn)完全集成的芯片上高帶寬超連續(xù)譜源。”
用于超連續(xù)譜產(chǎn)生的符號交替色散SiN波導(dǎo)。a） 集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2的圖示。較暗的區(qū)域表示氮化硅芯，而較亮的區(qū)域?qū)?yīng)于氧化硅包層。顯示了兩個結(jié)構(gòu)的總長度，還顯示了ND和AD段的數(shù)量。通過所示電場分布的定性動力學(xué)來顯示非線性脈沖傳播。線段的長度和寬度未按比例顯示。b）計算s偏振模式色散分布與1350 nm寬度的AD段（以紅色顯示）和650 nm寬度的ND段的波長（以藍色顯示）。還示出了波導(dǎo)的相關(guān)非線性系數(shù)。陰影區(qū)域是色散符號反轉(zhuǎn)的波長范圍。c） p偏振的色散分布，類似于圖（b）。d） 實驗設(shè)置圖示。用傳輸超短脈沖的光纖激光器作為光源。PBS指偏振分束器，DM指介質(zhì)鏡（1550?nm），SM表示寬帶銀鏡，MM表示多模光纖。光學(xué)光譜分析儀（OSA）是指近紅外或可見光光譜分析儀（Ocean View NirQuest256和Ando AQ6315A光譜分析儀）。
論文第一作者Haider Zia評論道：“與傳統(tǒng)方法相比，使用這種方法，我們可以將所需的脈沖能量減少大約1000倍。”。
該團隊發(fā)表在《高級光子學(xué)研究》的論文中稱，這代表著“集成光子學(xué)領(lǐng)域的一個重大進步，我們的方法為在芯片上產(chǎn)生超連續(xù)譜光提供了一種更有效的方案，在便攜式醫(yī)療成像設(shè)備、化學(xué)傳感和激光雷達方面具有許多潛在的應(yīng)用。”
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