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

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

在他們的方法中，波導被設計為交替加寬和變窄光束，進而控制光的色散。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)譜的方法實施到芯片上，以解決超連續(xù)譜激光器存在的幾個不足：體積巨大、價格昂貴、峰值功耗高。

“我們現(xiàn)在有了一個可以用于任何波導材料矩陣的技術平臺，可以將寬帶激光器的功率需求降低數(shù)千倍，同時也可以提高產(chǎn)生的光譜分量相對于峰值的功率（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，“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設備中的光源，而這些設備用于從醫(yī)學到環(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)展的兩個瓶頸。“首先，這一過程的能源效率很低。占據(jù)整個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)動激光器中心波長的功率低1000倍。”

Zia還專注于提高CMOS兼容的集成光子波導的工藝效率，該波導可以批量生產(chǎn)，使小型廉價激光器（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。“我還專注于優(yōu)化超連續(xù)譜產(chǎn)生過程，使頻譜分量的功率相對于峰值功率波長保持較高水平。”

該平臺控制種子激光脈沖的形狀，因此色散效應和非線性效應的相互作用，不會導致波導長度上光譜產(chǎn)生的停滯。

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

“這是造成瓶頸的主要限制，”Zia說，“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)，能在大傳播長度上連續(xù)產(chǎn)生3dB帶寬的頻譜帶寬。”

Zia和同事們對該技術的模擬是否“與我們制造的波導的實驗結果相匹配”存有疑問，他說。“制造參數(shù)（如色散、損耗、波導的確切寬度等）很難估計，因為它們在每次制造過程中都會波動，即使在大型氮化硅（SiN）制造廠也是如此。”

但是在進行實驗時，“我們發(fā)現(xiàn)結果與我們模擬的預測相匹配，”Zia說，“這既是一個驚喜，也是一種解脫。我們現(xiàn)在對相關參數(shù)的評估充滿信心。”

生成大量可見光

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

Zia說：“我們在3dB水平附近發(fā)現(xiàn)了窄帶藍色和綠色色散波，這是我們的模擬沒有預測到的。我們現(xiàn)在知道，當我們的方法中的色散發(fā)生變化時，四波混頻出現(xiàn)的精確相位匹配條件導致了它們的產(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。這項技術擁有巨大的應用潛力。