Lipson纳米光子学小组创建的集成激光器平台的插图，单个芯片产生的窄线宽和可调谐的可见光覆盖所有颜色。Credit: Myles Marshall/Columbia Engineering

随着技术不断以指数级速度发展，对新设备的需求也相应增加，将系统微型化为芯片已变得越来越重要。微电子学已经改变了我们操纵电力的方式，使复杂的电子产品现在成为我们日常生活的重要组成部分。同样，集成光子学一直在彻底改变我们控制光的方式，用于数据通信、成像、传感和生物医学设备等应用。通过使用微型和纳米级元件来路由和塑造光，集成光子学将完整的光学系统缩小到小芯片的大小。

尽管集成光子学取得了成功，但它一直缺少一个实现完全微型化的关键部件：高性能芯片级激光器。虽然在近红外激光器方面已经取得了一些进展，但目前为光子芯片提供的可见光激光器仍然是台式的，而且价格昂贵。由于可见光对于包括量子光学、显示器和生物成像在内的广泛的应用是必不可少的，因此需要可调谐和窄线宽的芯片级激光器来发射不同颜色的光。

发明适合在指尖上使用的高性能激光器

哥伦比亚工程公司Lipson纳米光子学小组的研究人员创造了从近紫外到近红外的颜色非常纯正的可见激光器，适合放在指尖上。这些激光器的颜色可以精确调谐，而且速度极快--达到每秒267帕赫兹，这对于量子光学等应用来说至关重要。该团队首次展示了用于红-绿、青、蓝和紫以下颜色光的芯片级窄线宽和可调谐激光器。这些廉价的激光器也是所有发射可见光的可调谐窄线宽集成激光器中占地面积最小、波长最短的（404纳米）。这项研究于2021年5月14日首次在CLEO 2021死后会议上发表，2022年12月23日由《自然-光子学》在线发表。

"这项工作令人激动的是，我们利用集成光子学的力量打破了现有的模式，即高性能的可见光激光器需要是台式的，并且要花费数万美元，"该研究的主要作者Mateus Corato Zanarella说，他是一名博士生，与希金斯大学电气工程教授和应用物理学教授Michal Lipson合作。"直到现在，还不可能缩小和大规模部署需要可调谐和窄线宽可见激光器的技术。一个值得注意的例子是量子光学，它要求在一个系统中使用几种颜色的高性能激光器。我们期望我们的发现将使现有和新技术的完全集成的可见光系统成为可能"。

发出低于红色的波长的好处

当你考虑到一些重要的应用时，发射波长短于红色的激光器的重要性就很明显了。例如，显示器需要同时使用红、绿、蓝三色光来组成任何颜色。在量子光学中，绿色、蓝色和紫色激光被用来捕获和冷却原子和离子。在水下激光雷达（Light Detection and Ranging）中，需要绿色或蓝色的光来避免水的吸收。然而，在波长短于红色的情况下，光子集成电路的耦合和传播损失明显增加，这阻碍了这些颜色的高性能激光器的实现。

解决耦合和传播损耗问题

研究人员通过选择法布里-珀罗（FP）二极管作为光源解决了耦合损耗问题，这使损耗对芯片级激光器性能的影响降到最低。与其他使用不同类型光源的策略不同，该团队的方法能够实现创纪录的短波长（404纳米）的激光器，同时也提供了对高光功率的可扩展性。FP激光二极管是广泛用于研究和工业的廉价和紧凑的固态激光器。然而，它们同时发出几个波长的光，而且不容易调谐，这使得它们不能直接用于需要纯正和精确的激光器的应用。通过将它们与专门设计的光子芯片相结合，研究人员能够将激光发射修改为单频、窄线宽和可广泛调谐。

该团队通过设计一个平台，将所有可见波长的材料吸收和表面散射损失同时降到最低，从而克服了传播损失问题。为了引导光线，他们使用了氮化硅，一种广泛用于半导体行业的电介质，对所有颜色的可见光都是透明的。即使有最小的吸收，但由于制造过程中不可避免的粗糙度，光仍然经历损失。该团队通过设计一个带有特殊类型的环形谐振器的光子电路解决了这个问题。该环形物沿其圆周具有可变的宽度，允许窄波导的单模操作，以及宽波导的低损耗特性。由此产生的光子电路为FP二极管提供了一个波长选择性的光反馈，迫使激光器以一个线宽非常窄的单一期望波长发射。

"科拉托-扎纳雷拉说："通过结合这些错综复杂的设计，我们能够建立一个强大而通用的平台，它是可扩展的，适用于所有颜色的光。

革命性的技术

"作为一家激光制造商，我们认识到，集成光子学将对我们的行业产生巨大的影响，并将实现迄今为止不可能实现的新一代应用，"TOPTICA光电公司激光技术总监Chris Haimberger说。"这项工作代表了在追求紧凑和可调谐的可见光激光器方面迈出的重要一步，它将为计算、医学和工业的未来发展提供动力"。

该研究的发现可能会彻底改变广泛的应用，包括。

量子信息。大多数用于量子计算的量子比特使用原子或离子，这些原子或离子被困住并使用可见光进行探测。这种光必须非常纯净（线宽窄），并具有非常具体的波长，以解决原子转换问题。目前，可用于这些应用的激光器是昂贵的和台式的。这项新的研究表明，这些笨重的光源可以被微小和廉价的芯片所取代，这将使量子系统被缩小，并最终成为普通大众可获得的技术的一部分。

原子钟。最精确的时钟是基于锶原子，它需要同时被许多不同颜色的激光捕获和探测。与量子光学系统类似，目前可用的激光器的巨大尺寸将这种技术限制在研究实验室中。芯片级激光器将使缩小这些系统成为可能，目的是制造便携式原子钟。

生物传感。一些神经探针使用一种叫做光遗传学的技术来测量、修改和了解神经反应。在这项技术中，神经元经过基因改造，产生一种对可见光敏感的蛋白，称为 "蛋白酶"。通过向这些细胞照射可见光，通常是蓝色，科学家可以随意打开特定的神经元。同样，在荧光成像中，荧光团需要用可见光来激发，以产生所需的图像。这些高性能、紧凑的激光器为这些系统的小型化打开了大门。

水下测距。水下测距需要蓝光或绿光，因为海水强烈吸收所有其他颜色的光。此外，对于被称为频率调制连续波LiDAR的流行测距策略，激光器需要快速调谐以准确感应物体的距离和速度。这些激光器可用于采用这种技术的便携式水下测距系统。

Li-Fi。随着对通信系统带宽需求的增加，网络已经趋于饱和。Li-Fi，即可见光通信，是一项迅速发展的技术，有望在用户端补充传统的微波链路，以克服这一瓶颈。激光器的高调制速度是实现极快的光学无线通信链路的理想选择。

接下来的步骤

研究人员已经为他们的技术申请了临时专利，他们现在正在探索如何对激光器进行光学和电子封装，将其变成独立的单元，并将其作为芯片级可见光引擎、量子实验和光学时钟的光源。

利普森说："为了向前发展，我们必须能够使这些系统小型化和规模化，使它们最终能够被纳入大规模部署的技术中，"利普森是硅光子学的先驱，他的研究从几十年前开始就有力地塑造了这个领域，在作为目前任何光子芯片一部分的有源和无源器件方面做出了基础性贡献。她补充说："集成光子学是一个令人兴奋的领域，从光通信到量子信息再到生物传感，它正在真正彻底改变我们的世界。"

这项研究的题目是 "从近紫外到近红外波长的广泛可调谐和窄线宽的芯片级激光器"。

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