荷蘭特溫特大學(xué)的研究人員和其子公司Superlight Photonics開(kāi)發(fā)了一種集成光子學(xué)芯片，該芯片能顯著降低寬帶激光器的功率需求。

早在2020年，荷蘭特溫特大學(xué)的研究人員提出了一種基于符號(hào)交替色散波導(dǎo)的超連續(xù)譜產(chǎn)生方法來(lái)抵消光譜停滯，該方法能夠使用功率更低的輸入光束。

在他們的方法中，波導(dǎo)被設(shè)計(jì)為交替加寬和變窄光束，進(jìn)而控制光的色散。與傳統(tǒng)方法相比，這種方法顯著減少了所需的脈沖能量。

把它放在芯片上

事實(shí)證明，該小組的超連續(xù)譜產(chǎn)生方法非常有前途，以至于他們成立了一加公司Superlight Photonics。他們將這種產(chǎn)生超連續(xù)譜的方法實(shí)施到芯片上，以解決超連續(xù)譜激光器存在的幾個(gè)不足：體積巨大、價(jià)格昂貴、峰值功耗高。

“我們現(xiàn)在有了一個(gè)可以用于任何波導(dǎo)材料矩陣的技術(shù)平臺(tái)，可以將寬帶激光器的功率需求降低數(shù)千倍，同時(shí)也可以提高產(chǎn)生的光譜分量相對(duì)于峰值的功率（例如，平坦光譜）。”研究人員之一、也是Superlight Photonics公司董事總經(jīng)理Haider Zia說(shuō)，“這使得便攜式或完全集成的超連續(xù)譜產(chǎn)生源，能夠作為便攜式光學(xué)設(shè)備中的光源，而這些設(shè)備用于從醫(yī)學(xué)到環(huán)境傳感的各種行業(yè)。”

Zia決心提供讓工業(yè)界可以使用的超連續(xù)譜產(chǎn)生方法，他發(fā)現(xiàn)了阻礙其發(fā)展的兩個(gè)瓶頸。“首先，這一過(guò)程的能源效率很低。占據(jù)整個(gè)桌面的大型激光器成本高，體積大，因此需要的空間也大。”他解釋道，“其次，與超連續(xù)譜產(chǎn)生相關(guān)的大帶寬的光譜產(chǎn)生，被限制在大約30dB的功率水平，這比主驅(qū)動(dòng)激光器中心波長(zhǎng)的功率低1000倍。”

Zia還專(zhuān)注于提高CMOS兼容的集成光子波導(dǎo)的工藝效率，該波導(dǎo)可以批量生產(chǎn)，使小型廉價(jià)激光器（甚至是最小的光纖激光器或集成的種子激光器）都可以產(chǎn)生超連續(xù)譜。“我還專(zhuān)注于優(yōu)化超連續(xù)譜產(chǎn)生過(guò)程，使頻譜分量的功率相對(duì)于峰值功率波長(zhǎng)保持較高水平。”

該平臺(tái)控制種子激光脈沖的形狀，因此色散效應(yīng)和非線(xiàn)性效應(yīng)的相互作用，不會(huì)導(dǎo)致波導(dǎo)長(zhǎng)度上光譜產(chǎn)生的停滯。

圖1：工作中的裸波導(dǎo)。（圖片來(lái)源：Haider Zia/Superlight Photonics）

“這是造成瓶頸的主要限制，”Zia說(shuō)，“在正常和異常之間交替色散，可以使脈沖輪廓保持在一種配置內(nèi)，能在大傳播長(zhǎng)度上連續(xù)產(chǎn)生3dB帶寬的頻譜帶寬。”

Zia和同事們對(duì)該技術(shù)的模擬是否“與我們制造的波導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相匹配”存有疑問(wèn)，他說(shuō)。“制造參數(shù)（如色散、損耗、波導(dǎo)的確切寬度等）很難估計(jì)，因?yàn)樗鼈冊(cè)诿看沃圃爝^(guò)程中都會(huì)波動(dòng)，即使在大型氮化硅（SiN）制造廠也是如此。”

但是在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，“我們發(fā)現(xiàn)結(jié)果與我們模擬的預(yù)測(cè)相匹配，”Zia說(shuō)，“這既是一個(gè)驚喜，也是一種解脫。我們現(xiàn)在對(duì)相關(guān)參數(shù)的評(píng)估充滿(mǎn)信心。”

生成大量可見(jiàn)光

Zia注意到，最令人驚訝的是大量可見(jiàn)光的生成。他們計(jì)劃產(chǎn)生近紅外范圍的超連續(xù)譜；由于SiN在可見(jiàn)光波段損耗極大，因此產(chǎn)生可見(jiàn)光是出乎意料的。

Zia說(shuō)：“我們?cè)?dB水平附近發(fā)現(xiàn)了窄帶藍(lán)色和綠色色散波，這是我們的模擬沒(méi)有預(yù)測(cè)到的。我們現(xiàn)在知道，當(dāng)我們的方法中的色散發(fā)生變化時(shí)，四波混頻出現(xiàn)的精確相位匹配條件導(dǎo)致了它們的產(chǎn)生。”

這些窄帶峰值可以用于將超連續(xù)光譜鎖定到激光源中，以產(chǎn)生非常穩(wěn)定的輸出。這項(xiàng)技術(shù)擁有巨大的應(yīng)用潛力。