「激光可以改變世界」，Miarabbas Kiani 說道。

科學探索需要好奇心，這是許多重要科學研究的起點。

近日，來自加拿大漢密爾頓麥克馬斯特大學的博士生 Khadijeh Miarabbas Kiani 使用一種簡單、經濟高效的方法演示了在矽上運行的單個(ge) 激光器。

論文《Lasing in a Hybrid Rare-Earth Silicon Microdisk》已發表在《Laser & Photonics Reviews》上。值得一提的是，該論文的作者之一 Andrew Knights 是矽光子學領域的權威研究者。

論文地址：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202100348

現在 Miarabbas Kiani 等人的研究已經在矽上創建了一個(ge) 單一的激光器，未來該團隊將創建一個(ge) 在矽光子電路內(nei) 運行的激光器。

從(cong) 高速通信到自動駕駛，再到醫療診斷，矽光子學領域超緊湊、低成本、節能的光學係統具有廣泛的應用價(jia) 值。然而，由於(yu) 矽是一種低效的發光材料，開發簡單、廉價(jia) 且可擴展的單片放大器和光源一直是一項重大挑戰。

「矽不是一種很好的激光材料，它是一種很好的探測器材料，但不是一種有效的光發射器。」Miarabbas Kiani 說道。

論文一作 Khadijeh Miarabbas Kiani

研究概覽

很多研究者都認為(wei) 在矽上製造激光器是一項長期挑戰。早在 1980 年就有人開始嚐試在矽上開發基於(yu) 光的電路，不過他們(men) 很快就意識到在矽上建造真正的激光器存在很大的障礙。

Miarabbas Kiani 的研究成果不僅(jin) 在矽芯片上展示了可工作的激光器，而且還是以一種簡單、性價(jia) 比高的方式實現了這一目標，並與(yu) 現有的製造設施兼容。這種兼容性是必不可少的，因為(wei) 它允許以低成本進行批量生產(chan) 。試想一下如果成本太高，你將無法大規模生產(chan) 。

在這項研究中，研究者展示了超緊湊混合稀土矽微盤諧振器中的光學增益和激光。這種激光諧振器結構簡單、堅固、成本低，可以使用現有的晶圓級矽光子製造工藝和單個(ge) 室溫後處理步驟來實現。與(yu) 之前的稀土激光器相比，激光腔和輸出直接在矽層中，40-m 直徑的超緊湊器件尺寸與(yu) 標準無源和有源矽光子器件兼容。

具體(ti) 來說，該研究展示了 1.9 m 附近的單模激光，使用單片摻銩碲酸鹽增益介質和波長 1.6 m 附近的有效泵浦，其中矽是高度透明的，並且商業(ye) 泵浦光源很容易獲得。

除了為(wei) 矽光子微係統給出一種有效且低成本的稀土增益方法以外，此類激光器還為(wei) 擴展新興(xing) 2 m 波段的應用提供了動力，這將對通信、非線性和量子光學以及傳(chuan) 感器領域產(chan) 生重要影響。

光學設計與(yu) 製造

下圖展示了微盤（microdisk）激光器結構。混合激光器由一個(ge) 集成的矽微盤和總線波導管組成，它們(men) 塗有摻銩的氧化碲 (TeO_2:Tm^3+) 層。矽結構是在晶圓級 SOI 平台上製造的，矽層厚度為(wei) 220 納米，由一個(ge) 40 微米直徑的矽微盤組成，旁邊是點耦合矽總線波導管。

光學特性

該研究使用可調諧激光器和光纖探頭對微盤諧振器的無源傳(chuan) 輸特性進行了表征。下圖a 中顯示觀察到與(yu) 微盤諧振器支持的五種不同 TE 模式相關(guan) 的窄諧振。下圖b 測量了各種諧振模式和相關(guan) 自由光譜範圍 (FSR) 的內(nei) 部質量因子。

傳(chuan) 輸和損耗測量

下圖 a 為(wei) 激光器測量設置原理圖，下圖b、c 顯示了微盤諧振器的實驗裝置圖像和顯微圖像。

TeO_2:Tm^(3+)-Si 混合微盤激光器的結果如下圖所示。

目前，Miarabbas Kiani 正在工程物理係完成第四年的博士研究，她所在的研究小組主要致力於(yu) 用微型、可大規模生產(chan) 且節能的芯片微係統替代複雜、笨重且昂貴的光子係統的方法。

這項研究展示的矽芯片上工作的激光器能讓全球製造設施兼容，簡單且具有成本效益。

Miarabbas Kiani 表示：「在小型集成芯片上製造激光器將創造出強大的設備」，例如減輕患者疼痛的超精密手術尖端設備、降低事故率的傳(chuan) 感器、高速互聯網等。

Miarabbas Kiani 的聯合導師 Jonathan Bradley 將這項技術譽為(wei) 「光子學的聖杯」。不過，該研究隨即在 Hacker News 上引起了大家的關(guan) 注與(yu) 討論，有人質疑這項研究的實際意義(yi) ，因為(wei) 其中用到了稀有的低溫材料，可能並不會(hui) 節省成本或高度兼容：

但也有人認為(wei) 這項研究很可能會(hui) 給 MEMS 傳(chuan) 感器等帶來一些突破，如果還能降低激光器集成於(yu) 設備上的成本，就將產(chan) 生重大影響：

對此，你怎麽(me) 看？

參考鏈接：

https://brighterworld.mcmaster.ca/articles/laser-on-silicon-khadijeh-miarabbas-kiani/

https://news.ycombinator.com/item?id=29383251