《国外研发新型量子级联激光器》

  • 来源专题:新一代信息技术
  • 编译者: 张卓然
  • 发布时间:2023-07-24
  •     意大利国家研究委员会比萨纳米科学研究所与英国利兹大学、德国慕尼黑工业大学等高校的研究人员合作,成功研发了一种体积小、成本低、精度高的新型量子级联半导体激光器,能够产生太赫兹频率的短辐射脉冲。该成果发表于《自然·光子学》(Nature Photonics)杂志。

        与通过产生恒定辐射束连续工作的传统激光器不同,新型激光器能够产生“脉冲”光束,即自发地定期打开和关闭,无需外部电源或复杂的控制电子设备,而这归功于被称为“锁模”的技术机制。新技术的核心是量子级联激光技术与石墨烯光学特性的创新结合。研究人员表示,他们开发了一种全新的设备架构,可将局部石墨烯条带集成嵌入到量子级联激光器中。该产品被认为可广泛应用于气候和环境监测、超高速通信等诸多领域。


  • 原文来源:https://www.istic.ac.cn/html/1/538/1506840107049808634.html
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    • 近期,国外一支研究团队宣布开发出一种制造光子时间晶体的方法,并证明这种基于时间的人造光学材料可以放大照射在它们上面的光。最终,这些光子晶体将有望带来更高效、更强大的无线通信,并显著改进激光器。 日前,发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上的一篇论文描述了这些发现。相关成果来自来自阿尔托大学、卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)和斯坦福大学的研究人员。 早在2012年,诺贝尔奖得主Frank Wilczek就曾首次提出了时间晶体的概念:普通的、熟悉的晶体具有在空间中重复的结构模式,而在时间晶体中,这种模式可以在时间上重复。去年,阿尔托大学低温实验室的研究人员就成功创造出了成对的时间晶体,它们能够用于量子器件。 如今,另一个团队的研究人员开发出了在微波频率下工作的光子时间晶体,并且证明这种晶体可以放大电磁波——这种能力在各种技术中均存在潜在的应用,包括无线通信、集成电路和激光。 迄今,科研界对光子时间晶体的研究主要集中在块状材料上(即三维结构),这已经被证明是非常具有挑战性的,而且相关实验还没开发出可用于实际应用的模型系统。 上述研发出新型光子时间晶体的团队则尝试了一种新的方法:建立一个二维光子时间晶体,被称为超表面。 通过将三维结构“降维”至二维结构,他们使得实际条件下实现光子时间晶体的制造变得更简单轻松。研究小组表示,他们已经能够制造出光子时间晶体,并通过实验验证了有关其行为的理论预测:“我们首次证明了光子时间晶体可以高增益地放大入射光。” 在光子时间晶体中,光子以一种随时间重复的模式排列。这意味着晶体中的光子是同步和相干的,这可以导致光的干涉和放大。光子的周期性排列,意味着它们也可以以增强放大的方式相互作用。 二维光子时间晶体具有广泛的应用前景: 首先,通过放大电磁波,它们可以使无线发射器和接收器变得更强大或更高效。研究人员指出,在表面涂上二维光子时间晶体也可以帮助信号衰减,这是无线传输中的一个重要问题。光子时间晶体还可以通过消除通常用于激光腔的大块反射镜来简化激光器的设计。 另外,二维光子时间晶体不仅可以放大在自由空间中撞击它们的电磁波,还可以放大沿表面传播的电磁波。表面波用于集成电路中电子元件之间的通信,而将二维光子时间晶体集成到系统中,就可以放大表面波,从而提高通信效率。
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    • 近日,来自洛桑联邦理工学院(EPFL)的研究人员开发了一种芯片集成的掺铒波导激光器,这一新型激光器的性能接近光纤激光器的性能,结合了可调谐性和芯片级光子集成的实用性。 众所周知,光纤激光器使用掺杂稀土元素的光纤作为增益介质。因此与二氧化碳等气体激光器相比具备了高光束质量、高功率、高效率、尺寸小以及光纤输出与柔性加工平台的无缝融合等优势。 而为了满足对芯片级光纤激光器的需求,研究人员转向铒作为增益介质。铒基光纤激光器满足保持高相干性和稳定性的要求而特别有前景。但长期以来,由于难以保持其特有的高性能,铒基光纤激光器小型化一直难以实现。 为此,研究人员首先基于超低损耗氮化硅光子集成电路构建了一米长的片上光腔。洛桑联邦理工学院光子学和量子测量实验室的研究员Yang Liu认为:尽管芯片尺寸紧凑,但我们能够将激光腔设计为米级长度,这要归功于这些微环谐振器的集成,这些谐振器有效地扩展了光路,而无需物理放大器件。 重大突破!芯片大小的激光器或将取代光纤激光器? 然后,该团队在电路中植入了高浓度的铒离子,以选择性地产生激光所需的有源增益介质。最后,他们将电路与III-V族半导体泵浦激光器集成在一起,以激发铒离子,使它们能够发光并产生激光束。 为了改进激光器的性能并实现精确的波长控制,研究人员设计了一种创新的腔内设计,其特点是基于微环的游标滤光片,这是一种可以选择特定频率光的滤光片,以提高激光器的性能并实现精确的波长控制。 该滤光片允许在C波段和L波段内对40 nm的激光波长进行动态调谐,这在调谐和低光谱杂散指标方面都超过了传统的光纤激光器,同时保持与当前半导体制造工艺的兼容性。该设计支持稳定的单模激光,固有线宽为50Hz。 芯片级铒基光纤激光器的输出功率超过10 mW,侧模抑制比大于70 dB,性能优于许多传统激光器。其窄线宽使其能够发出纯净而稳定的光,非常适合传感、陀螺仪、激光雷达和光学频率计量等相干应用。 将铒光纤激光器缩小并整合到芯片级设备中可以使其变得更加经济实惠,为消费电子、医疗诊断和电信领域高度集成的移动系统开辟新的应用。它还可以缩小其他几个应用中的光学技术,包括激光雷达、微波光子学、光频率合成和自由空间通信。