文/ Sally Cole Johnson

圖1：Jelena Vučković 和 Joshua Yang在實(shí)驗(yàn)室。Yang手里正舉著芯片級鈦寶石激光器和鈦寶石塊作尺寸對比。

斯坦福大學(xué)電子工程學(xué)教授Jelena Vučković領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，在芯片上開創(chuàng)性地集成了鈦寶石（Ti:sapphire）激光器（用綠色激光筆就可以泵浦）。與目前任何其他鈦寶石激光器相比，這款原型機(jī)的體積縮小了4個(gè)數(shù)量級（即原來的萬分之一），成本降低了3個(gè)數(shù)量級（即原先的千分之一）。

鈦寶石激光器，由于其高增益帶寬及超快脈沖輸出，在尖端量子光學(xué)、光譜學(xué)和神經(jīng)科學(xué)等領(lǐng)域不可或缺。然而由于其體積龐大，價(jià)格昂貴（每臺價(jià)格數(shù)十萬美元），以及需要高功率設(shè)備（每臺售價(jià)約3萬美元）來泵浦，因此限制了其廣泛應(yīng)用。

“在斯坦福大學(xué)的納米和量子光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室，基于金剛石和碳化硅等材料中的固態(tài)自旋量子位，我們進(jìn)行了多次量子實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)很大程度上就依賴于商用鈦寶石激光器。” Vučković團(tuán)隊(duì)的博士生 Joshua Yang介紹說。

除了價(jià)格昂貴，鈦寶石激光器還很復(fù)雜，往往需要定期維護(hù)才能保持良好運(yùn)行。Vučković教授的研究團(tuán)隊(duì)要進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，鈦寶石激光器的機(jī)時(shí)完全不夠用，因此只能共用設(shè)備，并需要管理實(shí)驗(yàn)時(shí)間表。此外，由于實(shí)驗(yàn)所需的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于商用鈦寶石激光器的輸出功率，因此只能將激光輸出功率衰減幾個(gè)數(shù)量級，導(dǎo)致大部分激光功率的浪費(fèi)。

Yang說：“芯片級鈦藍(lán)寶石激光器，由于其低成本、結(jié)構(gòu)緊湊及穩(wěn)定耐用的特性，可以取代目前采用的商用鈦寶石激光系統(tǒng)，為我們的精密實(shí)驗(yàn)保駕護(hù)航。”

圖2：Jelena Vučković教授的研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的芯片級鈦寶石激光器。激光器斜靠在一塊鈦寶石上，兩者放在一個(gè)25美分硬幣上。

巧妙的激光設(shè)計(jì)

該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的芯片級激光由兩個(gè)主要部分組成：波導(dǎo)和環(huán)形諧振器。

在二氧化硅（SiO2）基底上放置了一層鈦寶石，然后將其置于藍(lán)寶石晶體上。鈦寶石層經(jīng)過研磨、蝕刻和拋光，厚度僅為幾百納米。然后在其上繪制波導(dǎo)圖案，波導(dǎo)就像一個(gè)由微小脊線組成的漩渦，引導(dǎo)光在其中傳播。

采用一個(gè)微型加熱器對波導(dǎo)加熱，從而改變波導(dǎo)的折射率和光在波導(dǎo)中的傳播速度，因此輸出波長可以在紅光至紅外波長范圍內(nèi)調(diào)節(jié)（目前可調(diào)節(jié)范圍為 60nm）。

“螺旋形的波導(dǎo)相當(dāng)于激光的放大器，激光通過后功率會(huì)增加。”Yang解釋說，“環(huán)形諧振器既可以作為濾波器，通過微加熱器來調(diào)節(jié)激光的波長，又可以作為激光的諧振腔——作為激光傳輸?shù)难�環(huán)路徑。”

圖3：鈦寶石波導(dǎo)放大器的光學(xué)圖像，尺寸為0.5mm×0.5mm。

芯片級鈦寶石激光器面臨的挑戰(zhàn)

鈦寶石激光器最大的難點(diǎn)在于，需要高強(qiáng)度泵浦才能運(yùn)行。通過高精密波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)鈦寶石激光技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)完成了兩個(gè)重要突破：

第一，由于泵浦強(qiáng)度是功率除以面積，使用鈦寶石光學(xué)波導(dǎo)，顯著減少泵浦面積。“這意味著只需要更小的功率（約降低1000倍）就能達(dá)到與商用鈦寶石系統(tǒng)類似的泵浦強(qiáng)度。”Yang解釋說，“因此，即使是便宜的綠光半導(dǎo)體激光器，其功率也足以泵浦這款芯片級激光器。”

第二，將鈦寶石激光器集成到芯片上。“芯片級藍(lán)寶石激光器（沒有更多的運(yùn)動(dòng)部件）擁有商業(yè)激光器所無法比擬的小型化、可擴(kuò)展及耐用性，可以用于大規(guī)模晶圓級半導(dǎo)體制造。”Yang補(bǔ)充道。

對Yang來說，這項(xiàng)工作的亮點(diǎn)在于，這款芯片級鈦寶石激光器被用于量子實(shí)驗(yàn)。他說，“在一個(gè)復(fù)雜的腔體量子電動(dòng)力學(xué)（QED）實(shí)驗(yàn)中，看到這個(gè)微小的設(shè)備取代了體積龐大的商用激光系統(tǒng)，真是令人非常驚喜。因?yàn)槲覀冄邪l(fā)的芯片級激光器確實(shí)非常特別。”

芯片級鈦寶石激光器能夠真正用于量子實(shí)驗(yàn)，Vučković研究團(tuán)隊(duì)必須克服的一個(gè)挑戰(zhàn)就是優(yōu)化泵浦源的耦合。“實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過自由空間光路對激光器進(jìn)行泵浦，”Yang說，“但有了光子封裝技術(shù)，就可以集成一個(gè)綠光半導(dǎo)體激光器，作為芯片級鈦寶石激光器的泵浦源。通過封裝系統(tǒng)和泵浦源的耦合優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)更高功率的激光輸出，并且激光器既便攜又耐用。”

潛在應(yīng)用

芯片級鈦寶石激光器的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，從量子計(jì)算、原子鐘等量子技術(shù)，到光學(xué)相干斷層掃描和雙光子顯微等醫(yī)療應(yīng)用，不一而足。

“希望這項(xiàng)技術(shù)在未來幾年內(nèi)能夠逐漸成熟并在這些領(lǐng)域得到使用，”Yang說道。今年夏天畢業(yè)后，他將在Brightlight Photonics 公司工作，該公司將致力于促進(jìn)芯片級鈦寶石激光器的商業(yè)化應(yīng)用。

目前，Jelena Vučković和她的研究團(tuán)隊(duì)正在研究一種可調(diào)諧的鎖模芯片級鈦寶石激光器。

脈沖激光“將為激光在量子技術(shù)、經(jīng)典信息處理和生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用帶來新的機(jī)遇，”Vučković教授說。