幾十年來，超快雷射一直是現代光學中最強大的工具之一。它們的脈衝持續數百飛秒或千萬億分之一秒，並支持從精密製造和眼科手術到光學頻率梳的技術，這是一項獲得諾貝爾獎的創新，為世界上最精確的光學原子鐘提供動力。
儘管它們很重要，但這些雷射仍然是大型且昂貴的系統，佔據了整個光學平台。
現在，由洛桑聯邦理工學院 (EPFL) 教授托比亞斯·J·基彭伯格 (Tobias J. Kippenberg) 領導的研究人員取得了突破，可以使這項技術變得非常小。寫作 自然研究小組報告了第一個整合超快雷射器，能夠與傳統桌面飛秒雷射的性能相匹配。此元件可提供 1.05 納焦耳的脈衝能量和 147 飛秒的短脈衝持續時間，全部來自單一光子晶片。
將超快雷射引入光子晶片
光子晶片利用蝕刻在晶圓上的稱為波導的微觀結構來操縱光。以同樣的方式，電子晶片引導電訊號，光子晶片驅動和處理光。
這些晶片已經廣泛應用於電信領域，並幫助小型化了許多以前需要更大設備的光學技術。
「二十多年來，高脈衝能量飛秒雷射被認為是晶片上整合光子學的聖杯，」基彭伯格說。 “我們的結果表明，這不僅是可能的，而且可以通過被集成光子學界忽視的令人驚訝的優雅架構來實現。”
它是由經過研究的雷射設計提供的
為了實現這一壯舉，研究人員採用了一種稱為馬米舍夫振盪器的雷射架構，這種設計在整合光子學領域相對較少受到關注。
該系統在兩個濾波器之間放置一個非線性波導，每個濾光器傳輸光譜的不同部分。當強烈的雷射脈衝穿過波導時，它會傳播到更廣泛的顏色範圍。展寬的脈衝的一部分可以通過兩個濾波器並繼續在雷射腔中循環。
較弱的光錶現不同。由於它膨脹得不夠，過濾器會阻止它並將其從循環中移除。
論文的聯合主要作者 Zheru Qiu 解釋道：“這種設計特別有吸引力，因為它不需要在摻鉺氮化矽晶片上難以製造的組件。”
邱表示，設計還有另一大優勢。光子晶片將光限制在非常小的波導中，導致光與其自身發生強烈的相互作用。在許多雷射架構中，這些非線性效應會使雷射脈衝不穩定。然而，馬米舍夫振盪器不太容易受到這些問題的影響，並且特別適合整合光子裝置。
小設備，大潛力
雷射腔長 42 厘米，但可以折疊成火柴頭大小的晶片。這比傳統的超快光纖雷射小得多。
由於光子晶片可以使用類似於電腦晶片的方法在晶圓級製造，因此可以同時創建 1,000 多個雷射腔。這種製造優勢可以顯著降低超快雷射的成本，同時擴大其在感測、光譜學和精密測量應用中的效用。
「憑藉千瓦級的峰值功率，該晶片可以驅動依賴大型且昂貴的實驗室雷射的要求苛刻的應用，」邱說。
研究人員相信，這項技術最終可能會帶來價格實惠的便攜式設備，用於檢測環境污染物、識別材料中隱藏的缺陷以及醫療診斷。它可以幫助為緊湊型光學原子鐘鋪平道路，從而在未來的通訊和導航系統中發揮重要作用。
來自洛桑聯邦理工學院電氣與微工程研究所和亥姆霍茲德累斯頓-羅森多夫中心 (HZDR) 的研究人員參與了這項工作。
