由 Lipson Nanophotonics Group 创建的集成激光平台。

近日，《hth官方 》获悉，Columbia Engineering（哥伦比亚工程学院）的利普森纳米光子学小组（Lipson Nanophotonics Group）在量子光学和AR/VR激光显示器等具有影响力的技术方面取得了重大进展，发明了首个可调谐的窄线宽芯片级激光器，适用于比红色更短的可见光波长。该研究小组由电气工程教授和应用物理学教授 Michal Lipson 领导。

开发团队谈及研究的初衷时表示：“集成光子学一直缺少实现完全小型化的关键组件：高性能、芯片级激光器。虽然近红外激光器已经取得了一些进展，但目前为光子芯片供电的可见光激光器仍然是台式的，而且价格高昂。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应用至关重要，因此需要可调谐窄线宽芯片级激光器来发射不同颜色的光。”

指尖大小的激光器

利普森纳米光子学小组的研究人员已经创造出了从近紫外到近红外的非常纯净的可见光激光器，可以安装在指尖上。激光器的颜色可以精确调整，而且速度极快，最高可达每秒267PB，这对于量子光学等应用至关重要。开发人员将其描述为“用于AR/VR的量子光学和激光显示器的显著小型化进步”。

该团队在发表在《Nature Photonics（自然光子学）》的论文中率先展示了芯片级窄线宽和可调谐激光器，用于波长比红色更短的光——绿色、青色、蓝色和紫色。这些廉价的激光器还具有发射可见光的任何可调谐窄线宽集成激光器中最小的体积和最短的波长（404 nm）。

该论文的主要作者 Mateus Corato Zanarella博士表示：“这项工作令人兴奋的是，我们利用集成光子学的力量打破了现有的标准，即高性能可见光激光器必须是台式的，并且需要花费数万美元。”

“到目前为止，还不可能缩小和大规模部署需要可调谐和窄线宽可见光激光器的技术。尤其是量子光学，它需要在单个系统中使用多种颜色的高性能激光器。我们预计，我们的发现将为现有和新技术提供完全集成的可见光系统。”

耦合和传播损耗问题的解决方案

研究人员通过选择Fabry-Perot（FP，法布里-珀罗 ）二极管作为光源来解决了耦合损耗问题，这最大限度地降低了损耗对芯片级激光器性能的影响。

与使用不同类型光源的其他策略不同，该团队的方法能够实现创纪录的短波长 (404nm) 激光，同时还提供高光功率的可扩展性。FP激光二极管是一种廉价且紧凑的固态激光器，广泛应用于研究和工业。

然而，它们同时发出多种波长的光并不容易调谐，这阻碍了它们直接用于需要纯净和精确激光的应用。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、窄线宽和广泛可调谐。

该团队通过设计一个平台来克服传播损耗问题，该平台可以同时最小化所有可见波长的材料吸收和表面散射损耗。为了引导光线，他们使用了氮化硅，这是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。

“作为一家激光器制造商，我们认识到集成光子学将对我们的行业产生巨大影响，并将实现迄今为止不可能实现的新一代应用。” Toptica Photonics激光技术总监 Chris Haimberger 评价说：“这项工作代表了在追求紧凑和可调谐可见激光器方面向前迈出的重要一步，这种激光器将为计算、医学和工业的未来发展提供动力。”

下一步的工作

据《hth官方 》了解，该研究团队已经为他们的技术申请了临时专利。研究人员现在正在探索如何对激光器进行光学和电气封装，将它们变成独立的单元，并将它们用作芯片级可见光引擎、量子实验和光学时钟的光源。

“为了向前发展，我们必须能够小型化和规模化，使它们最终能够融入大规模部署的技术中，”Michal Lipson教授说，“集成光子学是一个令人兴奋的领域，它正在彻底改变我们的世界，从光通信到量子信息再到生物传感等。”