洛桑聯邦理工學院（EPFL）的研究人員開發出一種混合裝置，大大改進了現有的雷射技術。 EPFL光子系統實驗室（PHOSL）的團隊開發出了一種晶片級雷射光源，在提高半導體雷射性能的同時，還能產生更短的波長。

由半導體雷射器啟動的微型諧振器。圖片來源：2023 EPFL/Alain Herzog – CC-BY-SA 4.0

這項開創性工作由卡米耶-布雷斯（Camille Brès）教授和來自洛桑聯邦理工學院工程學院的博士後研究員馬可-克萊門蒂（Marco Clementi）領導，是光子學領域的重大進展，對電信、計量學和其他高精度應用具有重要意義。

提高相干性和可視性

這項研究發表在《光： 科學與應用》雜誌上發表的這項研究揭示了PHOSL 研究人員如何與光子學和量子測量實驗室合作，成功地將半導體雷射與包含微諧振器的氮化矽光子電路整合在一起。這種整合產生了一種混合裝置，能夠在近紅外線和可見光範圍內發射高度均勻和精確的光，填補了長期以來困擾業界的技術空白。

“半導體雷射在現代科技中無所不在，從智慧型手機到光纖通信，無所不有。然而，由於缺乏相干性和無法有效產生可見光，它們的潛力一直受到限制，”布雷斯教授解釋。 “我們的工作不僅提高了這些雷射的相干性，還將其輸出轉向可見光譜，為其應用開闢了新途徑。 “

Camille Brès 教授和 Marco Clementi 在實驗室。圖片來源： 2023 EPFL/Alain Herzog – CC-BY-SA 4.0

這裡所說的相干性是指雷射器發出的光波相位的一致性。高相干性意味著光波同步，從而產生具有非常精確的顏色或​​頻率的光束。這項特性對於雷射光束的精度和穩定性要求極高的應用（如計時和精密感測）來說至關重要。

提高精度和改進功能

該團隊的方法是將市面上的半導體雷射與氮化矽晶片耦合在一起。這種微小的晶片是採用業界標準、高性價比的 CMOS 技術製造的。由於氮化矽材料具有優異的低損耗特性，因此幾乎沒有光被吸收或逃脫。半導體雷射器發出的光經由微型波導流入極小的空腔，光束被截留在空腔中。這些被稱為微環諧振器的空腔經過精密設計，可在特定頻率上產生共振，選擇性地放大所需的波長，同時衰減其他波長，從而增強發射光的相干性。

另一項重大成就是混合系統能夠將商用半導體雷射器發出的光的頻率提高一倍，從而實現從近紅外光譜到可見光光譜的轉變。頻率和波長之間的關係成反比，也就是說，如果頻率增加一倍，波長就會減少一半。雖然近紅外光譜可用於通信，但更高的頻率對於製造更小、更有效率的設備（如原子鐘和醫療設備）也是必不可少的，因為這些設備需要更短的波長。

當腔體中的滯留光經歷一個稱為全光極化的過程後，氮化矽中就會產生所謂的二階非線性，從而實現更短的波長。這裡所說的非線性是指光在與材料相互作用時所產生的與頻率不成正比的顯著變化，也就是幅度上的跳躍。氮化矽通常不會產生這種特定的二階非線性效應，而研究小組透過一項優雅的工程設計來誘發這種效應： 該系統利用光在腔體內共振時產生電磁波的能力，激發材料的非線性特性。

為未來技術鋪路

“我們不僅在改進現有技術，還在推動半導體雷射的發展，”在該項目中發揮關鍵作用的馬可-克萊門蒂（Marco Clementi）說。 “透過縮小電波長和可見光波長之間的差距，我們為生物醫學成像和精確計時等領域的新應用打開了大門。 “

這項技術最有前景的應用之一是計量學，特別是在開發緊湊型原子鐘方面。導航技術進步的歷史取決於精確計時器的便攜性–從 16 世紀確定海上經度，到今天確保太空任務的精確導航和實現更好的地理定位。 “克萊門蒂指出：”這一重大進步為未來的技術奠定了基礎，其中一些技術尚待構思。 “

該團隊對光子學和材料科學的深刻理解有可能帶來更小、更輕的設備，並降低雷射的能耗和生產成本。他們有能力利用工業標準製造技術，將一個基本的科學概念轉化為實際應用，這凸顯了解決複雜技術挑戰的潛力，從而帶來不可預見的進步。

參考文獻：Marco Clementi、Edgars Nitiss、Junqiu Liu、Elena Durán-Valdeiglesias、Sofiane Belahsene、Hélène Debrégeas、Tobias J. Kippenberg 和Camille-Sophie Brès，”透過自註入鎖定全光極化實現晶片級二次諧波極化源”，2023 年12 月8 日，《光： 科學與應用》。

DOI: 10.1038/s41377-023-01329-6

編譯來源：ScitechDaily