發(fā)射低于紅色波長的好處

當(dāng)您考慮一些重要的應(yīng)用時(shí)，發(fā)射波長短于紅色的激光器的重要性就很明顯了。例如，顯示器需要同時(shí)使用紅光、綠光和藍(lán)光來合成任何顏色。在量子光學(xué)中，綠色、藍(lán)色和紫色激光用于捕獲和冷卻原子和離子。在水下激光雷達(dá)(光探測和測距)中，需要綠光或藍(lán)光來避免吸水。然而，在短于紅色的波長下，光子集成電路的耦合和傳播損耗顯著增加，這阻礙了在這些顏色下實(shí)現(xiàn)高性能激光器。

解決耦合和傳播損耗問題

研究人員通過選擇法布里-珀羅(FP)二極管作為光源解決了耦合損耗問題，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(duì)的方法能夠?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)紀(jì)錄的短波長(404nm)激光，同時(shí)還提供高光功率的可擴(kuò)展性，F(xiàn)P激光二極管是一種廉價(jià)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(shí)發(fā)出多種波長的光并且不容易調(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(jì)的光子芯片相結(jié)合，研究人員能夠修改激光發(fā)射單頻、窄線寬和廣泛可調(diào)諧。

該團(tuán)隊(duì)通過設(shè)計(jì)一個(gè)平臺來克服傳播損耗問題，該平臺可以同時(shí)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。即使有最小的吸收，由于制造過程中不可避免的粗糙度，光仍然會受到損失。該團(tuán)隊(duì)通過設(shè)計(jì)帶有特殊類型環(huán)形諧振器的光子電路解決了這個(gè)問題。該環(huán)沿其圓周具有可變寬度，允許窄波導(dǎo)的單模操作特性和寬波導(dǎo)的低損耗特性。

CoratoZanarella說：“通過組合這些設(shè)計(jì)精巧的部件，我們能夠構(gòu)建一個(gè)強(qiáng)大的多功能平臺，該平臺可擴(kuò)展并適用于所有顏色的光�！�

革新技術(shù)

TOPTICAPhotonics,Inc.激光技術(shù)總監(jiān)ChrisHaimberger表示：“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(shí)現(xiàn)迄今為止不可能實(shí)現(xiàn)的新一代應(yīng)用�！边@項(xiàng)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(jì)算、醫(yī)學(xué)和工業(yè)的未來發(fā)展提供動(dòng)力。”

該研究的發(fā)現(xiàn)可能會徹底改變廣泛的應(yīng)用，包括：

量子信息。大多數(shù)用于量子計(jì)算的量子位使用原子或離子，這些原子或離子被捕獲并使用可見光探測。光必須非常純凈(窄線寬)并且具有非常特定的波長才能解決原子躍遷問題。目前，可用于這些應(yīng)用的激光器價(jià)格昂貴且是臺式的。這項(xiàng)新研究表明，這些笨重的來源可以被微小且廉價(jià)的芯片取代，這將使量子系統(tǒng)按比例縮小并最終成為公眾可獲得的技術(shù)的一部分。

原子鐘。最精確的時(shí)鐘基于鍶原子，需要同時(shí)用許多不同顏色的激光捕獲和探測。與量子光學(xué)系統(tǒng)類似，目前可用激光器的巨大尺寸將這項(xiàng)技術(shù)限制在研究實(shí)驗(yàn)室。芯片級激光器將使縮小這些系統(tǒng)成為可能，以制造便攜式原子鐘。

生物傳感。一些神經(jīng)探針使用一種稱為光遺傳學(xué)的技術(shù)來測量、修改和理解神經(jīng)反應(yīng)。在這項(xiàng)技術(shù)中，神經(jīng)元被基因改造以產(chǎn)生一種叫做視蛋白的蛋白質(zhì)，它對可見光敏感。通過將可見光(通常是藍(lán)色)照射到這些細(xì)胞中，科學(xué)家們可以隨意打開特定的神經(jīng)元。同樣，在熒光成像中，熒光團(tuán)需要用可見光激發(fā)才能生成所需的圖像。這些高性能、緊湊型激光器為這些系統(tǒng)的小型化打開了大門。

水下測距。水下測距需要藍(lán)光或綠光，因?yàn)楹Ｋ畷��?qiáng)烈吸收所有其他顏色的光。此外，對于稱為調(diào)頻連續(xù)波LiDAR的流行測距策略，需要快速調(diào)諧激光器以準(zhǔn)確感測物體的距離和速度。這些激光器可用于采用該技術(shù)的便攜式水下測距系統(tǒng)。

Li-Fi。隨著通信系統(tǒng)中對帶寬的需求增加，網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)變得飽和。Li-Fi或可見光通信是一項(xiàng)快速發(fā)展的技術(shù)，有望在用戶端補(bǔ)充傳統(tǒng)的微波鏈路以克服這一瓶頸。激光器的高調(diào)制速度非常適合實(shí)現(xiàn)極快的光無線通信鏈路。

下一步

已經(jīng)為他們的技術(shù)申請了臨時(shí)專利的研究人員現(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(dú)立的單元，并將它們用作芯片級可見光引擎、量子實(shí)驗(yàn)和光學(xué)時(shí)鐘的光源。

“為了向前發(fā)展，我們必須能夠小型化和擴(kuò)展這些系統(tǒng)，使它們最終能夠融入大規(guī)模部署的技術(shù)中，”利普森說，他是硅光子學(xué)的先驅(qū)，他的研究從一開始就對這個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生了重大影響幾十年前，在作為當(dāng)前光子芯片一部分的有源和無源器件方面做出了基礎(chǔ)性貢獻(xiàn)。她補(bǔ)充說：“集成光子學(xué)是一個(gè)令人興奮的領(lǐng)域，它正在真正改變我們的世界，從光通信到量子信息再到生物傳感。”

這項(xiàng)研究的標(biāo)題是“從近紫外到近紅外波長的寬可調(diào)窄線寬芯片級激光器”。

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