照亮前行之路：卓越片上激光器的量子探索

照亮前行之路：卓越片上激光器的量子探索量子点和量子阱激光二极管由III-V族QW/QDDFB激光器和SiN微扰谐振器组成量子点和量子阱激光二极管：微谐振器的未来基于量子阱(QW)和量子点(QD)半导体材料的片上激光二极管现已成为各种应用的主要候选器件。量子阱（QW）和量子点（QD）基于半导体材料的片上激光二极管目前已成为各种应用的主要候选器件，它们具有功率效率高、可在高温下工作和体积小等诱人特性。尽管QWs已经广泛应用于商业产品中，但QDs以其独特的零维态密度和类似原子的退变性，成为一种很有前途的替代品。通过自注入锁定，III-V族激光器与氮化硅（SiN）微谐振器的异质集成增加了内在优势。这些优势包括结构紧凑、大批量生产的潜力以及更高的稳定性。与在原生平台上生长的III-V族激光器相比，该技术具有更出色的线宽收窄性能。不同QD层（a）和QD密度（b）下III-V族/SiN族QD激光器的线宽FWHM与注入电流密度的函数关系。资料来源：EmadAlkhazraji、WengW.Chow、FrédéricGrillot、JohnE.Bowers和YatingWan。探索量子阱和量子点器件的新研究最近发表在《光科学与应用》杂志上的一项研究对复合腔激光器有源介质的设计进行了参数调查。这项研究由沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）集成光子学实验室的万雅婷教授、美国阿尔伯克基桑迪亚国家实验室的WengW.Chow博士、法国巴黎综合理工学院巴黎电讯LTCI的FrédéricGrillot教授和美国加州大学圣巴巴拉分校的JohnBowers教授共同领导。研究小组重点研究了载流子量子约束对锁定复合腔器件的动态和光谱特性的影响。他们特别强调了将III-V族QW或QD分布反馈（DFB）激光器与SiN微孔谐振器集成时发射光谱的细化或线宽的缩小。该研究论文的第一作者EmadAlkhazraji阐明了改进背后的原理。Alkhazraji解释说："当适当调整并锁定到一个或多个微孔的whisperinggallery模式时，瑞利后向散射形式的光反馈可使激光二极管的激光线宽大幅降低到Hz级。"图像显示了4D设计空间和每个器件的最佳点。资料来源：EmadAlkhazraji、WengW.Chow、FrédéricGrillot、JohnE.Bowers和YatingWan。研究结果和对未来设计的启示通过遗传算法对QW和QD器件进行多目标设计-操作优化分析，研究人员结束了参数调查，然后采用多决策算法确定每个优化变量的最佳设计操作点。"这些发现为更全面的参数研究提供了指导，可以为工程设计提供及时的结果，"万教授总结道。该研究强调了激光二极管技术领域的改进和进一步发展潜力。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1371359.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1371359.htm

立芯光电：808nm 高功率半导体激光器芯片取得显著进展

立芯光电：808nm高功率半导体激光器芯片取得显著进展立芯光电官微消息，公司在808nm高功率半导体激光器芯片上取得显著进展。808nm半导体激光器作为理想的、高效率的固体激光器泵浦源，在先进制造、机械加工、医疗美容、激光显示、科研与航空航天等领域发挥着重要作用。随着市场对高效能激光解决方案的需求不断上升，高功率、高效率的激光芯片已成为推动行业发展的关键因素。公司研发团队通过对结构升级及外延技术优化，提高了808nm高功率半导体激光器芯片的斜率效率、高温特性及输出功率等性能；通过优化腔面镀膜技术，芯片腔面的损伤阈值COMD得到提高，从而使芯片的可靠性得到大幅提升。

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

首款可见光波长飞秒光纤激光器研制成功

首款可见光波长飞秒光纤激光器研制成功研究人员开发出了第一台可以在电磁波谱可见光范围内产生飞秒脉冲的光纤激光器。图片来源：JérômeLapointe克服光纤激光器开发中的挑战从历史上看，实现可见飞秒脉冲需要复杂且本质上低效的设置。尽管光纤激光器由于其坚固性/可靠性、占地面积小、效率高、成本低和亮度高而成为一种非常有前途的替代方案，但到目前为止，还不可能产生持续时间为飞秒（10-15s)直接使用此类激光器进行测距。加拿大拉瓦尔大学研究团队负责人RéalVallée表示：“我们在可见光谱中演示的飞秒光纤激光器为新型可靠、高效和紧凑的超快激光器铺平了道路。”新型光纤激光器的技术细节研究人员在Optica出版集团的《光学快报》杂志上描述了他们的新型激光器，该激光器基于稀土掺杂氟化物光纤。该激光器发射波长为635nm的红光，可实现持续时间为168fs、峰值功率为0.73kW、重复率为137MHz的压缩脉冲。使用商用蓝色激光二极管作为光源或泵浦源，有助于使整体设计坚固、紧凑且经济高效。研究小组成员包括RéalVallée、Marie-PierLord、MichelOlivier以及未在合影中的MartinBernier。图片来源：JérômeLapointe参与该项目的博士生Marie-PierLord表示：“如果在不久的将来能够实现更高的能量和功率，许多应用都可以从这种类型的激光器中受益。潜在的应用包括高精度、高质量的生物组织消融和双光子激发显微镜。飞秒激光脉冲还允许在材料加工过程中进行冷烧蚀，这一过程可以[比长脉冲]进行更干净的切割，因为它不会产生热效应。”扩展光纤激光器的光谱范围在光纤激光器中，掺杂稀土元素的光纤充当激光介质。尽管光纤激光器是最简单、坚固且可靠的高亮度激光系统之一，但石英光纤的使用往往将其限制在近红外光谱区域。Vallée的团队一直致力于通过使用由氟化物而不是二氧化硅制成的光纤来扩展这些激光源的光谱范围。“我们之前专注于开发中红外光纤激光器，但最近对可见光纤激光器产生了兴趣，”洛德说。“虽然此类激光器缺乏紧凑高效的泵浦源，长期以来阻碍了其发展，但最近出现的蓝色光谱半导体激光源为高效可见光纤激光器的开发提供了关键技术。”在展示了连续发射可见波长的光纤激光器后，研究人员希望将这一进展扩展到超快脉冲源。得益于氟化物光纤制造工艺的改进，现在可以获得镧系元素掺杂光纤，其特性对于开发高效可见光纤激光器至关重要。创新和未来方向Vallée团队开发的新型脉冲光纤激光器将稀土掺杂氟化物光纤与商用蓝色二极管泵浦激光器相结合。为了产生和维持脉冲输出，研究人员还必须弄清楚如何仔细管理光纤中的光偏振。“开发新波长的激光器，其中光学元件的材料特性与以前使用的不同，有时可能会很棘手，”合著者米歇尔·奥利维尔（MichelOlivier）说。“然而，我们的实验表明，我们的激光器的性能与我们的模拟非常吻合。这证实了该系统表现良好且易于理解，并且该系统的重要参数已正确表征并且非常适合脉冲激光器，尤其是我们使用的光纤的特性。”接下来，研究人员希望通过使装置完全一体化来改进技术，这意味着各个光纤尾纤光学元件将直接相互粘合。这将减少装置的光学损耗，提高效率，并使激光器更加可靠、紧凑和坚固。他们还在研究提高激光器脉冲能量、脉冲持续时间和平均功率的不同途径。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1400663.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1400663.htm

研究人员创造新型铌酸锂-氮化硅激光器

研究人员创造新型铌酸锂-氮化硅激光器铌酸锂是一种经常被用于光学调制器的材料，用于调节通过设备传输的光的频率或强度。因其管理大量光功率的能力和高"波克尔斯系数"而受到高度重视。这使得该材料在被施加电场时能够改变其光学特性。研究人员通过将铌酸锂与氮化硅相结合实现了他们的突破，这使他们能够生产一种新型的混合集成可调谐激光器。为此，该团队在EPFL制造了基于氮化硅的光的集成电路（"光子集成电路"），然后在IBM将其与铌酸锂晶圆粘合在一起。该研究中开发的芯片。资料来源：GrigoriiLikhachev(EPFL)这种方法产生了一种具有低频率噪声（衡量激光器频率稳定程度的标准）的激光器，同时具有快速的波长调谐功能--这对于用于光探测和测距（LiDAR）应用的激光器来说都是很好的品质。然后，他们进行了一个光学测距实验，用该激光器高精度地测量距离。除了集成激光器，该混合平台还有可能实现用于电信的集成收发器以及用于量子计算的微波-光学传感器。领导该项目的EPFL方面的TobiasJ.Kippenberg教授说："这项成果的显著之处在于，该激光器同时提供了低相位噪声和每秒百万赫兹的快速调谐，这是以前从未用这种芯片级集成激光器实现的。"这项研究得到了地平线2020框架计划、瑞士国家科学基金会和空军科学研究办公室的资助。芯片样品是在EPFL的微纳技术中心（CMi）和IBM研究院的Binnig和Rohrer纳米技术中心（BRNC）制作的。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1356589.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1356589.htm

量子挤压：麻省理工学院开启精密时钟的新纪元

量子挤压：麻省理工学院开启精密时钟的新纪元根据麻省理工学院的一项新研究，时钟、激光器和其他振荡器可以调整到超量子精度，从而使研究人员能够追踪时间上无限微小的差异。图片来源：麻省理工学院新闻时钟的稳定性取决于其所处环境的噪音。一阵微风就会使钟摆的摆动失去同步。热量也会扰乱原子钟中原子的振荡。消除这些环境影响可以提高时钟的精度。但也仅此而已。麻省理工学院的一项新研究发现，即使消除了来自外界的所有噪声，时钟、激光束和其他振荡器的稳定性仍然容易受到量子力学效应的影响。振荡器的精度最终将受到量子噪声的限制。但理论上，有一种方法可以突破这一量子限制。在他们的研究中，研究人员还表明，通过操纵或"挤压"造成量子噪声的状态，振荡器的稳定性可以得到改善，甚至突破其量子极限。麻省理工学院机械工程系助理教授维维谢克-苏迪尔（VivishekSudhir）说："我们所展示的是，激光和时钟等振荡器的稳定性实际上是有极限的，这个极限不仅是由它们所处的环境设定的，也是量子力学迫使它们左右晃动的事实设定的。然后，我们已经证明，你甚至有办法绕过量子力学的晃动。但你必须更聪明，而不仅仅是把它与环境隔离开来，必须玩弄量子态本身。"研究小组正在对他们的理论进行实验测试。如果他们能证明可以操纵振荡系统中的量子态，研究人员设想可以将时钟、激光和其他振荡器调整到超量子精度。然后，这些系统就可以用来追踪时间上无限微小的差异，比如量子计算机中单个量子比特的波动，或者在探测器之间闪烁的暗物质粒子的存在。麻省理工学院物理系研究生哈德森-拉夫林（HudsonLoughlin）说："我们计划在未来几年内展示几种具有量子增强计时能力的激光器。我们希望，我们最近的理论发展和即将进行的实验将推进我们精确计时的基本能力，并实现新的革命性技术。"Loughlin和Sudhir在《自然-通讯》（NatureCommunications）杂志上发表的一篇开放存取论文中详细介绍了他们的工作。激光精度在研究振荡器的稳定性时，研究人员首先研究了激光--一种能产生高度同步光子的波状光束的光学振荡器。激光的发明主要归功于物理学家阿瑟-肖洛（ArthurSchawlow）和查尔斯-汤斯（CharlesTownes）。激光器的设计以"发光介质"为中心，"发光介质"是原子的集合，通常镶嵌在玻璃或晶体中。在最早的激光器中，围绕着发光介质的闪光灯管会刺激原子中的电子跃升能量。当电子放松回到较低能量时，就会以光子的形式发出一些辐射。照明介质两端的两面镜子会将发出的光子反射回原子中，从而激发更多的电子，产生更多的光子。其中一面镜子与激光介质一起充当"放大器"，促进光子的产生，而第二面镜子部分透射，充当"耦合器"，将一些光子提取出来，形成一束集中的激光。自激光器发明以来，Schawlow和Townes提出了一个假设，即激光器的稳定性应受到量子噪声的限制。此后，其他人通过模拟激光的微观特征来验证他们的假设。通过非常具体的计算，他们表明，激光光子和原子之间难以察觉的量子相互作用确实会限制其振荡的稳定性。Sudhir指出："但这项工作必须进行极其细致、微妙的计算，这样才能理解这种限制，但仅限于特定种类的激光。我们希望极大地简化这一过程，以了解激光器和各种振荡器。"“施加压力”研究小组并没有把重点放在激光错综复杂的物理特性上，而是致力于简化问题。"Sudhir解释说："当电气工程师考虑制造振荡器时，他们会使用一个放大器，然后将放大器的输出馈入自己的输入端。这就像蛇吃自己的尾巴。这是一种极为自由的思维方式。你不需要了解激光的细枝末节。取而代之的是一幅抽象的图景，不仅是激光器的图景，也是所有振荡器的图景。"在他们的研究中，研究小组绘制了一幅类似激光振荡器的简化图。他们的模型由一个放大器（如激光的原子）、一条延迟线（例如，光在激光反射镜之间传播所需的时间）和一个耦合器（如部分反射镜）组成。研究小组随后写下了描述系统行为的物理方程，并进行了计算，以了解量子噪声会在系统的哪个位置出现。"通过将这一问题抽象为一个简单的振荡器，我们可以精确定位量子波动进入系统的位置，它们来自两个地方：放大器和使我们能够从振荡器中获得信号的耦合器，"Loughlin说。"如果我们知道了这两点，我们就知道了该振荡器稳定性的量子极限是多少"。科学家们可以利用他们在研究中列出的方程来计算自己振荡器的量子极限。更重要的是，研究小组证明，如果可以"挤压"两个信号源之一的量子噪声，就有可能克服这一量子极限。量子挤压是指以成比例地增加系统某一方面的量子波动为代价，使其最小化。这种效果类似于将气球中的空气从一部分挤入另一部分。在激光器中，研究小组发现，如果耦合器中的量子波动被挤压，就能提高输出激光束的精度或振荡时间，即使激光功率中的噪声会因此增加。"当你发现某种量子力学极限时，总会有这样一个问题：这种极限的可塑性有多大？"Sudhir说。"它真的是一个硬性的限制吗，或者说，通过操纵量子力学，你是否还能提取出一些果汁？在这种情况下，我们发现是有的，这是一个适用于一大类振荡器的结果。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1400943.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1400943.htm