QC光子芯片显微图（含双器件，每器件含FP激光器、波导耦合器、电阻加热器、环形谐振器）
哈佛大学研究团队研制出了一种紧凑型激光器，它能在中红外波段发射出极其明亮、极短的光脉冲，将大型光子设备的性能集成到了单个芯片上。中红外波段在气体传感、光谱学等领域至关重要，但现有集成光子脉冲发生器稀缺。传统中红外超快脉冲发射器复杂且低效，基于近红外或可见光脉冲激光的下转换，而量子级联激光器虽能实现高功率输出，但亚皮秒脉冲需外部调制和光学隔离，限制了小型化。
该研究成果以“Driven bright solitons on a mid-infrared laser chip”为题发表在Nature上，这是首次展示出无需外部组件即可运行的芯片级皮秒中红外激光脉冲发生器。该设备能够生成光学频率梳，即由等间距频率线组成的光谱，目前用于精密测量。这种新型激光芯片未来或许能加快高灵敏度、宽光谱气体传感器的开发，用于环境监测，或者开发新型光谱学工具用于医学成像。
研究人员表示，这项技术将芯片上的非线性光子学集成在一起，以产生中红外波段的超短光脉冲。中红外波段是电磁波谱中不可见的一部分，如今在环境应用中得到了利用。由于二氧化碳和甲烷等许多气体分子能高效吸收中红外光，这一波长范围已成为监测环境气体的重要工具。
该论文展示了一种生成宽带光源的途径，这种光源能在单个设备中检测出许多不同气体的吸收特征，该光源能在一块芯片上产生数千种不同频率的光。
该突破的基础是量子级联激光器，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。与几十年来一直依赖称为锁模的成熟技术来产生脉冲的其他半导体激光器不同，量子级联激光器由于其固有的超快动力学特性，一直以来都很难实现脉冲化。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装置来实现脉冲发射，并且需要许多离散的硬件组件。它们通常还受到输出功率和光谱带宽的限制。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几个概念无缝融合到一个单一设备中，从而生成一种被称为孤子的特定类型的皮秒光脉冲。在设计芯片架构时，研究人员从一种看似不相关的光调制设备——克尔微谐振器中汲取了灵感。该创新思维使他们能够避开传统的脉冲生成技术，如锁模技术。
研究人员借鉴了20世纪80年代发表的一项基础理论，该理论为被动克尔谐振器建立了一个框架。研究人员表示，Lugiato-Lefever方程最初作为被动系统的模型，现已演变成适用于各种腔体中孤子频率梳的统一框架。这种新型的中红外激光器能够一次连续数小时稳定地产生脉冲。该设备由一个电驱动环形谐振器、一个驱动环形谐振器的集成激光器以及一个作为滤波器的第二个有源环形谐振器组成。
该技术为中红外非线性集成光子学提供了新平台，可用于光学原子钟、超连续谱生成、双梳光谱仪等领域。未来通过热管理优化和半导体光放大器集成，有望提升峰值功率，推动4-12μm波段的光通信和计量应用。
（天津津航技术物理研究所 杨茗）
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