哈佛大学约翰-保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的物理学家们发明了一种紧凑型激光器，它能在有用但难以实现的波长范围内发出极亮的短脉冲光，将大型光子设备的性能集成到了一块芯片上。

这项发表在《自然》（Nature）杂志上的研究，首次展示了无需外部元件即可运行的片上皮秒中红外激光脉冲发生器。该装置可以产生所谓的光频梳，即由等间距频率线（类似梳子）组成的光谱，目前用于精密测量。未来，这种新型激光芯片有望加速制造用于环境监测的高灵敏度、宽光谱气体传感器，或用于医学成像的新型光谱学工具。

该论文的资深作者是哈佛大学工程与应用科学学院（SEAS）罗伯特·L·华莱士应用物理学教授、电子工程领域温顿·海斯高级研究员费德里科·卡帕索（Federico Capasso）。这项研究得到了美国国家科学基金会和国防部的支持，是与维也纳技术大学（TU Wien）的施瓦茨研究组、路易吉·A·卢贾托（Luigi A. Lugiato）领导的意大利科学家联盟以及蒂莫西·戴（Timothy Day）领导的 Leonardo DRS日光解决方案公司合作完成的。

卡帕索说："这是一项令人兴奋的新技术，它集成了片上非线性光子技术，可以产生中红外超短光脉冲；在此之前，还没有这样的技术。更重要的是，这种设备可以在工业激光代工厂利用标准半导体制造工艺轻松生产出来。”

卡帕索实验室的研究小组成员。一张光学表格包含了论文中报告的集成激光源特性的实验装置。屏幕上显示的是基于量子级联激光器的有源环形谐振器的显微镜图像，用于演示激光芯片上的亮孤子。左起 德米特里-卡扎科夫、帕万-拉特拉、西奥多-莱苏、马可-皮卡多、费德里科-卡帕索。

中红外线是电磁波谱中不可见的部分，如今在环境应用中得到了充分利用。由于二氧化碳和甲烷等许多气体分子都能有效吸收中红外光，因此这一波长范围一直是监测环境气体的重要工具，其中最具代表性的是由卡帕索在 20 世纪 90 年代开创的量子级联激光技术。

这篇新论文展示了一种产生宽带光源的途径，例如，这种光源可以在一个设备中检测多种不同的气体吸收指纹。

卡帕索研究小组的副研究员、共同第一作者德米特里-卡扎科夫（Dmitry Kazakov）说："这是创造我们所说的超连续光源的关键一步，它可以在一个芯片中产生数千种不同频率的光。我认为这个平台的未来确实有可能实现这一目标。”

量子级联激光器是纳米光子工程新壮举的基础，它通过将不同的纳米结构半导体材料层叠在一起，产生相干的中红外光束。数十年来，其他半导体激光器一直依赖于成熟的锁模技术来产生脉冲，而量子级联激光器则不同，由于其固有的超快动态特性，量子级联激光器仍然难以产生脉冲。现有的基于量子级联激光器的中红外脉冲发生器通常需要复杂的设置来实现脉冲发射，还需要许多分立的硬件组件。它们通?；故芟抻谝欢ǖ氖涑龉β屎凸馄?a class="link-system" href="/encyclopedia/7025373368956706816.html" title="带宽" target="_blank">带宽。

量子级联光子集成芯片的光学显微镜图像。所示芯片包含两个相同的装置，每个装置由四个部件组成：法布里-珀罗驱动激光器、波导耦合器、电阻加热器和赛道谐振器。

这种新型脉冲发生器将非线性集成光子学和集成激光器中的多个概念完美地结合到了一个设备中，从而产生了被称为孤子的特定类型皮秒光脉冲。在设计芯片结构时，研究人员从一种看似毫不相干的光调节设备--克尔微谐振器--中汲取了灵感。他们的创造性思维使他们得以绕过传统的脉冲产生技术，如模式锁定。

“我们的测量是量子级联激光研究中的非传统测量，"共同第一作者、麻省理工学院研究生兼卡帕索研究小组研究员西奥多-莱苏说。“我们合并了两类领域，把克尔谐振器领域的研究成果应用到我们的系统中。这是一个令人兴奋的过程。”

论文合著者、维也纳工业大学教授贝内迪克特-施瓦茨（Benedikt Schwarz）说："对我来说，我们的新工作最重要的影响--除了令人印象深刻的物理学之外--是它给了我们制造和运行多组件架构的信心，而这种能力在此之前一直是中红外集成光子学领域的一大挑战。我们已经在开发新的架构，以实现以前认为不可能实现的功能。”

研究人员借鉴了 20 世纪 80 年代发表的基础理论，该理论建立了无源克尔谐振器的框架。这篇新论文的合著者之一是路易吉-卢吉亚托（Luigi Lugiato），他致力于重新利用他的原始方程来描述中红外激光系统的动态。

意大利因苏布里亚大学名誉教授卢吉亚托说："这是始于卢吉亚托-莱费弗方程研究旅程的一个激动人心的成功。从最初的无源系统模型，发展到各种腔体中孤子频梳的统一框架。沿着这条研究路径，我们成功预测了光驱动量子级联激光器中超过阈值的孤子--现在这一实验证实了这一点?！?/span>

中红外激光芯片及其连接各个组件的效果图

这种新型中红外激光器可以连续数小时可靠地产生脉冲。最重要的是，它还可以利用现有的工业制造工艺进行大规模生产，这将大大加快其广泛应用的速度。该设备由一个可从外部驱动的环形谐振器、一个驱动环形谐振器的片上激光器和第二个作为滤波器的有源环形谐振器组成。芯片由维也纳工业大学制造。

论文共同作者、Leonardo DRS 日光解决方案业务部高级副总裁兼总经理 蒂莫西·戴（Timothy Day） 说："这项技术有望真正改变中红外光谱仪领域的游戏规则。利用现有的制造工艺大批量生产这些设备的能力，可以真正实现多个市场的下一个目标，包括环境监测、工业过程控制、生命科学研究和医疗诊断?！?/span>

本研究基于美国国家科学基金会（National Science Foundation）的 ECCS2221715 号资助。其他资金来源包括美国国防部的国防科学与工程研究生奖学金计划和欧洲研究理事会。

哈佛大学技术开发办公室?；ち擞胝庀钛芯肯喙氐拇葱鲁晒?，并正在探索商业机会。

论文的其他合著者包括：Marco Piccardo、Lorenzo L. Columbo、Massimo Brambilla、Franco Prati、Sandro Dal Cin、Maximilian Beiser、Nikola Opa?ak、Pawan Ratra、Michael Pushkarsky 和 David Caffey。

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