MIT研究人员开发出微型光子芯片 实现超快激光技术微型化

MIT研究人员开发出微型光子芯片实现超快激光技术微型化激光在日常生活中已相对普遍，但除了在狂欢派对上提供灯光表演和扫描杂货上的条形码外，激光还有很多用途。激光在电信、计算以及生物、化学和物理研究领域也具有重要意义。在后一种应用中，能够发射超短脉冲的激光器尤其有用，这种激光器的脉冲为万亿分之一秒（1皮秒）或更短。利用在如此小的时间尺度上工作的激光，研究人员可以研究极快发生的物理和化学现象--例如，化学反应中分子键的生成或断裂，或者材料内部电子的运动。这些超短脉冲还广泛用于成像应用，因为它们的峰值强度极大，但平均功率较低，因此可以避免加热甚至烧毁生物组织等样本。在《科学》杂志上发表的一篇论文中，加州理工学院电子工程与应用物理学助理教授阿里雷扎-马兰迪（AlirezaMarandi）介绍了他的实验室开发的一种在光子芯片上制造这种激光器（称为锁模激光器）的新方法。这种激光器使用纳米级元件（纳米是十亿分之一米）制造，可以集成到光基电路中，类似于现代电子产品中的电基集成电路。铌酸锂制成的纳米光子锁模激光器发出一束绿色激光。资料来源：加州理工学院马兰迪说："我们感兴趣的不仅仅是让锁模激光器更加紧凑。我们很高兴能在纳米光子芯片上制造出性能良好的锁模激光器，并将其与其他元件结合在一起。到那时，我们就能在集成电路中构建一个完整的超快光子系统。这将把目前属于米级实验的超快科学和技术财富带到毫米级芯片上"。超快激光与诺贝尔奖的认可这类超快激光器对研究工作非常重要，今年的诺贝尔物理学奖授予了三位科学家，以表彰他们开发出能产生阿秒脉冲的激光器（一阿秒等于一秒的五十亿分之一）。然而，这种激光器目前极其昂贵和笨重，马兰迪指出，他的研究正在探索在芯片上实现这种时间尺度的方法，这种芯片可以便宜很多，体积也更小，目的是开发出价格合理、可部署的超快光子技术。他说："这些阿秒级实验几乎都是用超快锁模激光器完成的。其中一些实验的成本可能高达1000万美元，而其中很大一部分就是锁模激光器的成本。我们很高兴能考虑如何在纳米光子学中复制这些实验和功能。"马兰迪实验室开发的纳米光子锁模激光器的核心是铌酸锂，这是一种具有独特光学和电学特性的合成盐，在这种情况下，可以通过应用外部射频电信号来控制和塑造激光脉冲。这种方法被称为腔内相位调制主动锁模。"大约50年前，研究人员在桌面实验中使用腔内相位调制来制造锁模激光器，并认为与其他技术相比，这种方法并不十分合适，"论文第一作者、前马兰迪实验室博士后郭秋实（音译）说。"但我们发现它非常适合我们的集成平台"。"除了体积小巧之外，我们的激光器还表现出一系列引人入胜的特性。例如，我们可以在很宽的范围内精确调节输出脉冲的重复频率。我们可以利用这一点来开发芯片级稳定频率梳状源，这对于频率计量和精密传感来说至关重要，"现任纽约城市大学高级科学研究中心助理教授的郭补充道。未来目标和研究影响马兰迪说，他的目标是继续改进这项技术，使其能够在更短的时间尺度和更高的峰值功率下运行，目标是达到50飞秒（飞秒是十万亿分之一秒），这将是他目前设备的100倍改进，目前设备产生的脉冲长度为4.8皮秒。介绍这项研究的论文题为"纳米光子铌酸锂中的超快锁模激光器"，发表在11月9日的《科学》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1398911.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1398911.htm

基于钽酸锂的新型光子集成电路技术提高了成本效益和可扩展性

基于钽酸锂的新型光子集成电路技术提高了成本效益和可扩展性钽酸锂光子集成电路最近，绝缘体上的铌酸锂晶圆平台因其强大的波克尔斯系数而成为光子集成电光调制器的上佳材料。然而，高昂的成本和复杂的生产要求使得铌酸锂无法得到更广泛的应用，限制了其商业集成。钽酸锂（LiTaO3）是铌酸锂的近亲，有望克服这些障碍。钽酸锂（LiTaO3）与铌酸锂的近亲钽酸锂（LiTaO3）有望克服这些障碍。钽酸锂具有类似的优异电光质量，但在可扩展性和成本方面比铌酸锂更具优势，因为它已被电信行业广泛用于5G射频滤波器。现在，EPFL的TobiasJ.Kippenberg教授和中国科学院上海微系统与信息技术研究所（SIMIT）的欧欣教授领导的科学家们创建了一种基于钽酸锂的新型PIC平台。这种PIC充分利用了材料的固有优势，使高质量PIC更加经济可行，从而改变了这一领域。这一突破发表在5月8日的《自然》杂志上。研究人员为钽酸锂开发了一种与硅绝缘体生产线兼容的晶片键合方法。然后，他们用类金刚石碳掩蔽了薄膜钽酸锂晶片，并着手蚀刻光波导、调制器和超高品质因数微谐振器。蚀刻是通过结合深紫外线（DUV）光刻技术和干蚀刻技术实现的，这些技术最初是针对铌酸锂开发的，后来经过仔细调整，用于蚀刻硬度更高、惰性更强的钽酸锂。这种调整包括优化蚀刻参数，以尽量减少光损耗，这是实现光子电路高性能的关键因素。利用这种方法，研究小组能够制造出高效率的钽酸锂PIC，其电信波长的光损耗率仅为5.6dB/m。另一个亮点是电光马赫-泽恩德调制器（MZM），这是当今高速光纤通信中广泛使用的一种设备。钽酸锂MZM的半波压长积为1.9Vcm，电光带宽达到40GHz。"在保持高效电光性能的同时，我们还在这一平台上生成了孤子微蜂窝，"该研究的第一作者王成利说。"这些孤子微蜂窝具有大量的相干频率，与电光调制功能相结合，特别适用于并行相干激光雷达和光子计算等应用"。钽酸锂PIC的双折射（折射率对光的偏振和传播方向的依赖性）降低，可实现密集的电路配置，并确保在所有电信频段都具有广泛的操作能力。这项工作为可扩展、经济高效地制造先进的电子光学PIC铺平了道路。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1430650.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1430650.htm

科学家开发出突破性微型光纤激光器 更锐利、更小巧、更智能

科学家开发出突破性微型光纤激光器更锐利、更小巧、更智能基于氮化硅光子集成电路的全封装混合集成铒激光器的光学图像，可提供光纤激光器相干性和以前无法实现的频率可调谐性。资料来源：AndreaBancora和YangLiu（洛桑联邦理工学院）光纤激光器使用掺杂稀土元素（铒、镱、钕等）的光纤作为光增益源（产生激光的部分）。光纤激光器能发出高质量的光束，输出功率高，效率高，维护成本低，经久耐用，而且体积通常比气体激光器小。光纤激光器也是低相位噪声的"黄金标准"，这意味着它们的光束可以长期保持稳定。尽管如此，人们对芯片级光纤激光器微型化的需求仍在不断增长。基于铒的光纤激光器尤其令人感兴趣，因为它们符合保持激光器高相干性和稳定性的所有要求。但是，要实现光纤激光器的微型化，就必须在小尺度上保持其性能。现在，EPFL的刘洋博士和TobiasKippenberg教授领导的科学家们制造出了首台芯片集成的掺铒波导激光器，其性能接近光纤激光器，将宽波长可调谐性与芯片级光子集成的实用性相结合。这一突破发表在《自然-光子学》（NaturePhotonics）上。制造芯片级激光器研究人员采用最先进的制造工艺开发出了芯片级铒激光器。他们首先在超低损耗氮化硅光子集成电路的基础上构建了一个一米长的片上光腔（一组提供光反馈的反射镜）。刘博士说："尽管芯片尺寸小巧，但我们却能将激光腔设计成米级长度，这要归功于这些微oring谐振器的集成，它们能在不增大设备物理尺寸的情况下有效延长光路。"然后，研究小组在电路中植入高浓度铒离子，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，以激发铒离子，使其发光并产生激光束。基于掺铒光子集成电路的混合集成激光器的光学图像，该激光器具有光纤激光相干性和以前无法实现的频率可调谐性。资料来源：YangLiu（洛桑联邦理工学院）为了完善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，其特点是基于微孔的Vernier过滤器，这是一种可以选择特定光频的光学过滤器。滤波器可在很大范围内对激光波长进行动态调整，从而使其在各种应用中都能发挥作用。这种设计支持稳定的单模激光，其内在线宽仅为50Hz，非常窄，令人印象深刻。它还具有显著的边模抑制功能--激光器能够以单一、稳定的频率发光，同时将其他频率（"边模"）的强度降至最低。这确保了高精度应用在整个光谱范围内的"干净"和稳定输出。这种芯片级铒光纤激光器的输出功率超过10mW，边模抑制比超过70dB，性能优于许多传统系统。它还具有非常窄的线宽，这意味着它发出的光非常纯净和稳定，这对于传感、陀螺仪、激光雷达和光学频率计量等相干应用非常重要。基于微光的Vernier滤波器使激光器在C波段和L波段（用于电信的波长范围）内具有40nm的宽波长可调谐性，在调谐和低光谱尖刺指标（"尖刺"是不需要的频率）方面都超越了传统光纤激光器，同时与当前的半导体制造工艺保持兼容。将铒光纤激光器微型化并集成到芯片级设备中可降低其总体成本，使其可用于电信、医疗诊断和消费电子等领域的便携式高度集成系统。它还可以缩小光学技术在其他各种应用中的规模，如激光雷达、微波光子学、光频合成和自由空间通信。"这种新型掺铒集成激光器的应用领域几乎是无限的，"Liu说。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1434644.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1434644.htm

日本研究人员实现精确控制氮化镓基垂直腔面发射激光器的腔长

日本研究人员实现精确控制氮化镓基垂直腔面发射激光器的腔长功率转换效率超过20%的氮化镓紫色表面发光激光器。资料来源：TetsuyaTakeuchi/名城大学GaN-VCSEL由两层被称为分布式布拉格反射镜(DBR)的特殊半导体反射镜组成，中间由有源GaN半导体层隔开，形成光谐振腔，激光就在其中产生。谐振腔的长度对于控制目标激光波长（即谐振波长）至关重要。迄今为止，已开发出两种基于氮化镓的VCSEL结构：一种是底部介质DBR，另一种是底部氮化铝铟（AlInN）/氮化镓DBR。这两种结构都能产生光输出功率超过20毫瓦、壁塞效率（WPE）超过10%的VSCEL。然而，AlInN/GaNDBR的停止波长带宽较窄，因此VCSEL只能发射窄波长范围内的光。此外，传统的腔体长度控制方法需要对测试腔体层进行预实验，以确定其生长速度，这会导致VCSEL腔体的估计厚度和最终厚度之间存在误差。这种误差会导致共振波长超出AlInN/GaNDBR的窄停止带宽，从而严重影响性能。腔长控制的创新为了解决这个问题，在最近的一项研究中，日本名城大学材料科学与工程系教授竹内哲也领导的研究人员为基于氮化镓的VCSEL光腔开发了一种新的原位腔长控制方法。通过利用原位反射率光谱测量精确控制氮化镓层的生长，研究人员实现了精确的腔长控制，与目标谐振波长的偏差仅为0.5%。现在，他们进一步扩展了这一创新技术，并展示了完整VSCEL的腔长控制。竹内教授解释说："VCSEL的腔体不仅包含氮化镓层，还包含氧化铟锡(ITO)电极和五氧化二铌(Nb2O5)间隔层，而这些都无法通过相同的原位反射率光谱测量系统进行控制。在这项研究中，我们开发了一种精确校准这些附加层厚度的技术，从而实现了高效的VCSEL。"他们的研究成果发表在《应用物理通讯》（AppliedPhysicsLetters）杂志第124卷第13期上。附加层的校准技术为了校准附加层的厚度，研究人员首先在使用原位空腔控制生长的GaN测试结构上沉积了不同厚度的ITO电极和Nb2O5间隔层。鉴于原位反射率测量无法用于这些附加层，他们直接使用原位反射率光谱测量来评估这些测试空腔结构的共振波长。获得的共振波长发生了红移，即随着ITO和Nb2O5层厚度的增加，波长也随之增加。接下来，研究人员绘制了共振波长偏移与ITO和Nb2O5层厚度的函数关系图，从而获得了有关其光学厚度的准确信息。他们利用这些信息精确校准了目标VCSEL共振波长的ITO层和Nb2O5层厚度。这种方法产生的共振波长控制偏差非常小，在3%以内，在光学厚度方面可与现场控制方法相媲美。最后，研究人员通过在利用原位腔体控制技术生长的VCSEL腔体中加入调谐ITO电极和Nb2O5间隔层，制造出了孔径大小为5至20µm的GaN-VCSEL。这些VCSEL的峰值发射波长与设计共振波长的偏差仅为0.1%。值得注意的是，得益于精确的腔长控制，5微米孔径的VCSEL实现了21.1%的WPE，这是一项重大成就。竹内教授总结说："就像高精度的刻度尺可以制造精细的架子一样，精确地使用氮化镓层的原位厚度控制，结合ITO电极和Nb2O5间隔层的厚度校准，可以实现VCSEL的高度可控制造，是获得高性能和高可重复性的氮化镓基VCSEL的有力工具，可用于高效光电设备。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1432687.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1432687.htm

指尖大小的超快激光器可帮助科学家以最快时间尺度观察自然界

指尖大小的超快激光器可帮助科学家以最快时间尺度观察自然界激光器是观察、探测和测量自然界中我们肉眼无法看到的事物的重要工具。然而，由于需要使用昂贵的大型仪器，执行这些任务的能力往往受到限制。在《科学》（Science）杂志最新发表的一篇封面论文中，研究员郭秋实（QiushiGuo）展示了一种在纳米光子芯片上制造高性能超快激光器的新方法。这种独特的激光器能以飞秒级的时间间隔发射一连串超短相干光脉冲，也就是惊人的四十亿分之一秒。基于纳米光子铌酸锂的芯片级超快锁模激光器。资料来源：AlirezaMarandiUltrafastmode-lockedlasers（超快锁模激光器）是揭开自然界最快时间尺度秘密不可或缺的工具，例如化学反应中分子键的生成或断裂，或者光在湍流介质中的传播。此外，锁模激光器的高速度、脉冲峰值强度和宽光谱覆盖范围也使许多光子学技术得以实现，包括光学原子钟、生物成像以及利用光来计算和处理数据的计算机。遗憾的是，最先进的锁模激光器目前都是昂贵、耗电的台式系统，仅限于实验室使用。"我们的目标是彻底改变超快光子学领域，将基于实验室的大型系统转变为可大规模生产和现场部署的芯片级系统，"纽约市立大学先期科学研究中心光子学计划教员、纽约市立大学研究生中心物理学教授郭秋实说。"我们不仅要把东西做得更小，还要确保这些超快芯片级激光器能提供令人满意的性能。例如，我们需要足够的脉冲峰值强度，最好超过1瓦特，以创建有意义的芯片级系统"。然而，在芯片上实现有效的锁模激光器并不是一个简单的过程。郭的研究利用了一种被称为薄膜铌酸锂（TFLN）的新兴材料平台。这种材料可通过外部射频电信号实现激光脉冲的高效整形和精确控制。在他们的实验中，郭秋实的团队将III-V族半导体的高激光增益与TFLN纳米级光子波导的高效脉冲整形能力独特地结合在一起，展示了一种可发出0.5瓦高输出峰值功率的激光器。除了体积小巧之外，所演示的锁模激光器还表现出许多传统激光器无法企及的迷人特性，为未来的应用提供了深远的影响。例如，通过调节激光器的泵浦电流，郭能够在200MHz的极宽范围内精确调节输出脉冲的重复频率。通过利用所展示激光器的强大可重构性，研究团队希望实现芯片级频率稳定的梳状光源，这对精密传感至关重要。郭的团队还需要解决更多的挑战，才能实现可扩展、集成的超快光子系统，并将其应用于便携式和手持式设备，但他的实验室已经通过目前的演示克服了一个主要障碍。这项成果为最终使用手机诊断眼疾或分析食物和环境中的大肠杆菌和危险病毒铺平了道路，它还可以实现未来芯片级原子钟，从而在全球定位系统受到破坏或无法使用时进行导航。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1399767.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1399767.htm

九峰山实验室8寸硅光薄膜铌酸锂光电集成晶圆下线

九峰山实验室8寸硅光薄膜铌酸锂光电集成晶圆下线薄膜铌酸锂由于出色的性能在滤波器、光通讯、量子通信、航空航天等领域均发挥着重要作用。但铌酸锂材料脆性大，大尺寸铌酸锂晶圆制备工艺困难，铌酸锂微纳加工制备工艺也一直被视为挑战。目前，业界对薄膜铌酸锂的研发还主要集中在3寸、4寸、6寸晶圆的制备及片上微纳加工工艺上。九峰山实验室工艺中心基于8寸SOI硅光晶圆键合8寸铌酸锂晶圆，单片集成光电收发功能，成功破解了这一难题。九峰山实验室表示，近年来，由于5G通信、大数据、人工智能等行业的强力驱动，光子集成技术得到极大关注。铌酸锂以其大透明窗口、低传输损耗、良好的光电/压电/非线性等物理性能以及优良的机械稳定性等被认为是理想的光子集成材料，而单晶薄膜铌酸锂则为解决光子集成芯片领域长期存在的低传输损耗、高密度集成以及低调制功耗需求提供了至今为止综合性能最优的解决方案。据悉，湖北九峰山实验室于2021年由湖北省人民政府正式批复组建，实验室面向世界科技前沿，面向国民经济主战场和国家重大需求，以建设先进的化合物半导体研发和创新中心为愿景，在中国光谷建立起全球一流的化合物半导体工艺、检测基础设施，打造公共、开放、共享的科研平台。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1422252.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1422252.htm