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衝(chong) ——這是一個(ge) 難以捉摸但非常有用的光範圍，可用於(yu) 檢測氣體(ti) 和啟用新的光譜工具。

該設備將大型係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(yu) 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(yu) 應用科學學院（SEAS）的物理學家們(men) 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衝(chong) 光——這一波長範圍既具有科學價(jia) 值，又具有技術挑戰性。該設備的性能堪比更大型的光子係統，但完全集成在單個(ge) 芯片上。

這項研究於(yu) 今日（4月16日）發表在《自然》雜誌上，標誌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衝(chong) 發生器的首次演示。該激光器可以產(chan) 生光頻梳——一種由均勻分布的頻率組成的光譜——廣泛應用於(yu) 高精度測量。這個(ge) 緊湊的平台有望助力實現新一代用於(yu) 環境監測的廣譜氣體(ti) 傳(chuan) 感器，以及用於(yu) 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(hui) 和國防部資助，與(yu) 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(xing) 奮的新技術，它集成了片上非線性光子學，可以產(chan) 生中紅外超短光脈衝(chong) ；此前從(cong) 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(ye) 激光代工廠使用標準半導體(ti) 製造工藝輕鬆生產(chan) 。”

藝術家繪製的中紅外激光芯片示意圖，其中光路連接著各個(ge) 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，如今已廣泛應用於(yu) 環境領域。由於(yu) 二氧化碳和甲烷等許多氣體(ti) 分子能夠有效吸收中紅外光，該波長範圍已成為(wei) 監測環境氣體(ti) 的重要工具，尤其是在卡帕索於(yu) 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(ge) 設備中檢測氣體(ti) 的許多不同吸收指紋。

“這是創建我們(men) 所謂的超連續譜光源的關(guan) 鍵一步，它可以在一個(ge) 芯片上產(chan) 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裏·卡紮科夫（Dmitry Kazakov）說道。“我認為(wei) 這對這個(ge) 平台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(ti) 材料層疊在一起，產(chan) 生相幹的中紅外光束。與(yu) 其他幾十年來一直依賴成熟的鎖模技術產(chan) 生脈衝(chong) 的半導體(ti) 激光器不同，量子級聯激光器由於(yu) 其固有的超快動態特性，仍然難以產(chan) 生脈衝(chong) 。

現有的基於(yu) 量子級聯激光器的中紅外脈衝(chong) 發生器通常需要複雜的裝置來實現脈衝(chong) 發射，以及許多分立的硬件組件。它們(men) 通常也受限於(yu) 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(liang) 個(ge) 相同的器件，每個(ge) 器件包含四個(ge) 組件：法布裏-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(yu) 應用科學學院

這種新型脈衝(chong) 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(ge) 器件中，從(cong) 而產(chan) 生特定類型的皮秒光脈衝(chong) ，即孤子。在設計芯片架構時，研究人員從(cong) 一種看似無關(guan) 的光調製器件——克爾微諧振器——中汲取了靈感。他們(men) 的創造性思維使他們(men) 能夠繞過鎖模等傳(chuan) 統脈衝(chong) 生成技術。

“在量子級聯激光研究中，我們(men) 的測量方法並非傳(chuan) 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(men) 融合了兩(liang) 種場，並借鑒了克爾諧振腔領域的研究成果，並將其應用到我們(men) 的係統中。這是一個(ge) 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(men) 新研究最重要的影響在於(yu) 它賦予了我們(men) 製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(nei) 迪克特·施瓦茨 (Benedikt Schwarz) 表示。“我們(men) 已經在開發新的架構，以實現此前認為(wei) 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(wei) 被動克爾諧振器建立了框架。新論文的合著者之一是Luigi Lugiato，他致力於(yu) 重新利用原始方程來描述中紅外激光係統的動力學。

“這是始於(yu) Lugiato-Lefever方程的一段旅程激動人心的巔峰，”意大利因蘇布裏亞(ya) 大學名譽教授Lugiato說道。“最初作為(wei) 被動係統模型，如今已發展成為(wei) 適用於(yu) 各種腔體(ti) 中孤子頻率梳的統一框架。這條路徑使我們(men) 預測了光驅動量子級聯激光器中高於(yu) 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(chan) 生脈衝(chong) 。至關(guan) 重要的是，它還可以利用現有的工業(ye) 製造工藝進行量產(chan) ，這將大大加快其廣泛應用的速度。該器件由三個(ge) 部分組成：一個(ge) 可外部驅動的環形諧振器；一個(ge) 驅動環形諧振器的片上激光器；以及一個(ge) 充當濾波器的第二個(ge) 有源環形諧振器。這些芯片由維也納技術大學製造。

“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(jue) 方案業(ye) 務部高級副總裁兼總經理Timothy Day表示。“利用現有製造工藝實現這些設備的商業(ye) 化量產(chan) ，將真正賦能多個(ge) 市場的未來發展，包括環境監測、工業(ye) 過程控製、生命科學研究和醫療診斷。”