哈佛大學的物理學家開發出一種強大的新型片上激光器，它可以在中紅外光譜中發射明亮的脈沖——這是一個難以捉摸但非常有用的光范圍，可用于檢測氣體和啟用新的光譜工具。

該設備將大型系統的功能集成到一塊微型芯片中，無需任何外部組件。它融合了突破性的光子設計與量子級聯激光技術，有望通過一次性檢測數千種光頻率，很快徹底改變環境監測和醫療診斷。

哈佛大學約翰·A·保爾森工程與應用科學學院（SEAS）的物理學家們開發出一種緊湊型激光器，能夠發射中紅外光譜的明亮超短脈沖光——這一波長范圍既具有科學價值，又具有技術挑戰性。該設備的性能堪比更大型的光子系統，但完全集成在單個芯片上。

這項研究于今日（4月16日）發表在《自然》雜志上，標志著一種無需任何外部元件即可運行的片上皮秒中紅外激光脈沖發生器的首次演示。該激光器可以產生光頻梳——一種由均勻分布的頻率組成的光譜——廣泛應用于高精度測量。這個緊湊的平臺有望助力實現新一代用于環境監測的廣譜氣體傳感器，以及用于醫學成像的先進光譜工具。

這項研究由資深作者、SEAS 應用物理學 Robert L. Wallace 教授 Federico Capasso 和電氣工程高級研究員 Vinton Hayes 共同領導。項目由美國國家科學基金會和國防部資助，與維也納理工大學 (TU Wien) 的 Schwarz 團隊、Luigi A. Lugiato 領導的意大利研究團隊以及 Timothy Day 指導的 Leonardo DRS Daylight Solutions 公司合作完成。

“這是一項令人興奮的新技術，它集成了片上非線性光子學，可以產生中紅外超短光脈沖；此前從未出現過這樣的技術，”卡帕索說道。“更重要的是，這種器件可以在工業激光代工廠使用標準半導體制造工藝輕松生產。”

藝術家繪制的中紅外激光芯片示意圖，其中光路連接著各個組件。圖片來源：羅潤克

中紅外波段是電磁波譜中不可見的部分，如今已廣泛應用于環境領域。由于二氧化碳和甲烷等許多氣體分子能夠有效吸收中紅外光，該波長范圍已成為監測環境氣體的重要工具，尤其是在卡帕索于20世紀90年代率先開發的量子級聯激光技術中。

新論文展示了一種生成寬帶光源的途徑，該光源可以在單個設備中檢測氣體的許多不同吸收指紋。

“這是創建我們所謂的超連續譜光源的關鍵一步，它可以在一個芯片上產生數千種不同頻率的光，”論文共同第一作者、卡帕索團隊的研究員德米特里·卡扎科夫（Dmitry Kazakov）說道。“我認為這對這個平臺的未來發展具有現實的可能性。”

量子級聯激光器是納米光子工程這一新成就的基礎，它通過將不同的納米結構半導體材料層疊在一起，產生相干的中紅外光束。與其他幾十年來一直依賴成熟的鎖模技術產生脈沖的半導體激光器不同，量子級聯激光器由于其固有的超快動態特性，仍然難以產生脈沖。

現有的基于量子級聯激光器的中紅外脈沖發生器通常需要復雜的裝置來實現脈沖發射，以及許多分立的硬件組件。它們通常也受限于一定的輸出功率和光譜帶寬。

量子級聯光子集成芯片的光學顯微鏡圖像。圖中所示芯片包含兩個相同的器件，每個器件包含四個組件：法布里-珀羅驅動激光器、波導耦合器、電阻加熱器和跑道諧振器。圖片來源：卡帕索實驗室/哈佛大學工程與應用科學學院

這種新型脈沖發生器將非線性集成光子學和集成激光器中的多種概念無縫地結合到一個器件中，從而產生特定類型的皮秒光脈沖，即孤子。在設計芯片架構時，研究人員從一種看似無關的光調制器件——克爾微諧振器——中汲取了靈感。他們的創造性思維使他們能夠繞過鎖模等傳統脈沖生成技術。

“在量子級聯激光研究中，我們的測量方法并非傳統做法，”論文共同第一作者、麻省理工學院研究生、卡帕索團隊研究員西奧多·萊蘇 (Theodore Letsou) 說道。“我們融合了兩種場，并借鑒了克爾諧振腔領域的研究成果，并將其應用到我們的系統中。這是一個激動人心的過程。”

“對我來說，除了令人印象深刻的物理原理之外，我們新研究最重要的影響在于它賦予了我們制造和操作多組件架構的信心，而這此前一直是中紅外集成光子學領域的一大挑戰，”論文合著者、維也納技術大學教授貝內迪克特·施瓦茨 (Benedikt Schwarz) 表示。“我們已經在開發新的架構，以實現此前認為不可能實現的功能。”

研究人員借鑒了20世紀80年代發表的一項基礎理論，該理論為被動克爾諧振器建立了框架。新論文的合著者之一是Luigi Lugiato，他致力于重新利用原始方程來描述中紅外激光系統的動力學。

“這是始于Lugiato-Lefever方程的一段旅程激動人心的巔峰，”意大利因蘇布里亞大學名譽教授Lugiato說道。“最初作為被動系統模型，如今已發展成為適用于各種腔體中孤子頻率梳的統一框架。這條路徑使我們預測了光驅動量子級聯激光器中高于閾值的孤子——如今這一結果已被實驗證實。”

這種新型中紅外激光器能夠可靠地持續數小時產生脈沖。至關重要的是，它還可以利用現有的工業制造工藝進行量產，這將大大加快其廣泛應用的速度。該器件由三個部分組成：一個可外部驅動的環形諧振器；一個驅動環形諧振器的片上激光器；以及一個充當濾波器的第二個有源環形諧振器。這些芯片由維也納技術大學制造。

“這項技術有望真正改變中紅外光譜領域，”論文合著者、Leonardo DRS日光解決方案業務部高級副總裁兼總經理Timothy Day表示。“利用現有制造工藝實現這些設備的商業化量產，將真正賦能多個市場的未來發展，包括環境監測、工業過程控制、生命科學研究和醫療診斷。”