耶魯大學教授Hong Tang領導的研究團隊開發出了第一款芯片級摻鈦藍寶石激光器——這項創新可能會(hui) 帶來原子鍾、量子計算和光譜傳(chuan) 感器等新應用。研究結果已發表在Nature Photonics上[1]。

迄今為(wei) 止芯片上最寬的增益光譜

20世紀80年代問世的摻鈦藍寶石激光器，是激光器領域的一大進步。其成功的關(guan) 鍵在於(yu) 用作增益介質的材料，即放大激光能量的材料。摻雜鈦離子的藍寶石被證明特別強大，提供比傳(chuan) 統半導體(ti) 激光器寬得多的激光發射帶寬。這項創新帶來了物理學、生物學和化學領域的重大發現和無數應用。

台式鈦藍寶石激光器是許多學術和工業(ye) 實驗室的必備設備。但這種激光器的大帶寬是以相對較高的閾值或所需的功率為(wei) 代價(jia) 的。因此，這些激光器價(jia) 格昂貴且占用大量空間，這在很大程度上限製了它們(men) 在實驗室研究中的應用。如果不克服這一限製，鈦藍寶石激光器將仍僅(jin) 限於(yu) 小眾(zhong) 客戶。

為(wei) 此，他們(men) 展示了世界上第一個(ge) 集成芯片級光子電路的摻鈦藍寶石激光器，它提供了芯片上迄今為(wei) 止最寬的增益光譜——為(wei) 眾(zhong) 多新應用鋪平了道路。鈦藍寶石激光器的性能與(yu) 芯片的小尺寸相結合，可以驅動受功耗或空間限製的應用，如原子鍾、便攜式傳(chuan) 感器、可見光通信設備，甚至量子計算芯片。

成功的關(guan) 鍵在於(yu) 激光的低閾值。傳(chuan) 統摻鈦藍寶石激光器的閾值超過100毫瓦，而他們(men) 開發的係統的閾值約為(wei) 6.5毫瓦。通過進一步的調整，他們(men) 相信可以進一步降低到1毫瓦。這一係統也與(yu) 氮化镓光電係列兼容，氮化镓光電係列廣泛用於(yu) 藍色發光二極管和激光器。

他們(men) 的原型光子電路集成摻鈦藍寶石激光器為(wei) 下一代有源-無源集成可見光光子學中的寬帶可調諧激光器開辟了一條可靠的途徑。

關(guan) 於(yu) Hong Tang教授

Hong Tang現為(wei) 耶魯大學Llewellyn West Jones, Jr.電氣工程教授，2002年獲得加州理工學院博士學位。研究領域為(wei) 凝聚態物理學和量子物理學，包括非線性和量子光學、納米機電係統、超導探測器和電路、量子換能器開發。當前項目有：從(cong) 微波到光子的量子轉換、量子網絡和量子通信、超導量子探測器。

Hong Tang曾獲得2010亞(ya) 瑟格裏爾紀念獎、2009帕卡德科學與(yu) 工程獎學金、2009國家科學基金會(hui) 事業(ye) 獎、2008美國國家工程院(NAE)研討會(hui) 特邀參與(yu) 者等榮譽。

Hong Tang教授

今年1月，Hong Tang實驗室還開發了第一個(ge) 實現的片上光子數分辨(PNR)探測器，一次可以分辨多達100個(ge) 光子。

目前的光子計數設備一次可以檢測到的光子數量有限，通常一次隻能檢測一個(ge) ，而且不超過10個(ge) 。Hong Tang實驗室的設備不僅(jin) 將PNR能力提升了100，而且在計數率上也提高了三個(ge) 數量級。它還可以在易於(yu) 訪問的溫度下運行。 

在他們(men) 的工作基礎上，研究人員計劃使設備更小並增加它可以檢測到的光子數量。包括使用不同的介電材料將其光子數分辨率提高到1000以上。

參考鏈接：

[2]https://seas.yale.edu/news-events/news/introducing-first-chip-sized-titanium-doped-sapphire-laser