近日，格拉斯哥大学研究团队成功设计并制造出一款基于单片全集成微芯片的窄线宽激光器，其性能达到了同类半导体激光器有史以来的最高水平。该项突破性的激光技术进展，其研发团队表示，将有望推动体积更小、成本更低、且更易于制造的光学与量子技术的发展。
这项技术有助于克服长期以来阻碍该类型单片半导体激光技术获得更广泛应用的诸多障碍。未来，这一新型激光系统或将在先进通信系统和无法破解的量子密码学等前沿科技领域得到应用。
该团队研发的新系统被称为“拓扑界面态扩展激光器与光学注入锁定技术”，简称MOIL-TISE。与以往的分布式反馈激光器系统相比，该系统能够产生更窄、更纯的激光。
激光的线宽是衡量其纯度的一个指标。线宽越窄，产生的激光光束越稳定，其工作频率的波动也越小。该团队的MOIL-TISE系统能够实现仅983赫兹的线宽，相比目前市场上工作在兆赫兹级别的单片式分布式反馈激光器，这是一项重大进步。
以往的高光谱纯度激光器面临一个重大挑战：如何在顶尖性能与紧凑设计之间取得平衡。为实现高效率，设计者通常依赖混合集成与笨重的外部元件，这限制了其实用性，也制约了其在片上集成应用中的潜力。
关于MOIL-TISE系统在单一集成芯片上的开发成果，已发表于《Science Advances》期刊的一篇新论文中（DOI：10.1126/sciadv.ady8963）。研究团队在文中描述了如何利用格拉斯哥大学詹姆斯·瓦特纳米加工中心的设施，在磷化铟半导体衬底上制造出MOIL-TISE器件。
该系统的卓越性能得益于其独特的结构设计。该设计将芯片划分为三个区域，每个区域都具有特定的光学相位。这些相位经过专门调谐，以使光在区域间保持均匀分布。再结合集成在芯片上的微环谐振器，该系统能够在内部循环利用光线以稳定其性能，从而实现高度集中的窄线宽。
MOIL-TISE系统的研发得到了大学“关键技术加速器”项目的支持。该项目资金来源于格拉斯哥城市区域创新加速器基金，其宗旨是为一系列应用开发前沿的纳米尺度技术。
该论文的第一作者兼通讯作者是关键技术加速器项目的孙晓博士。他表示：“格拉斯哥大学的独特之处在于，在英国境内，有可能完全在我们的校园内，将此类项目从一个初步想法推进至功能齐全的原型阶段。詹姆斯·瓦特纳米加工中心使我们能够设计、制造并测试我们的MOIL-TISE系统，极大地加速了研究进程。”
“这项研究是‘关键技术加速器’致力于实现的那类突破的一个绝佳范例。能够在詹姆斯·瓦特纳米加工中心利用商业上即可获得的技术来制造该器件，这表明产业界在未来几年内可以轻松地、并以可负担的成本开始制造他们自己的基于MOIL-TISE技术的设备。”
詹姆斯·瓦特工程学院的侯连平教授是该论文的共同通讯作者。他表示：“我们的MOIL-TISE激光器在这一领域实现了三项重大突破与改进。它是同类产品中首个单片式器件，所有组件都集成在单一芯片上。它能产生具有卓越频率纯度的激光，这是此类单片分布式反馈激光器有史以来达到的最高纯度。同时，它还能轻松地在不同光学相位间切换，这一特性是未来构建不可破译加密与通信设备所需的量子密钥分发系统的关键属性。”
