耶魯大學(xué)教授Hong Tang領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了第一款芯片級摻鈦藍(lán)寶石激光器——這項(xiàng)創(chuàng)新可能會帶來原子鐘、量子計(jì)算和光譜傳感器等新應(yīng)用。研究結(jié)果已發(fā)表在Nature Photonics上[1]。
迄今為止芯片上最寬的增益光譜
20世紀(jì)80年代問世的摻鈦藍(lán)寶石激光器,是激光器領(lǐng)域的一大進(jìn)步。其成功的關(guān)鍵在于用作增益介質(zhì)的材料,即放大激光能量的材料。摻雜鈦離子的藍(lán)寶石被證明特別強(qiáng)大,提供比傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器寬得多的激光發(fā)射帶寬。這項(xiàng)創(chuàng)新帶來了物理學(xué)、生物學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域的重大發(fā)現(xiàn)和無數(shù)應(yīng)用。
臺式鈦藍(lán)寶石激光器是許多學(xué)術(shù)和工業(yè)實(shí)驗(yàn)室的必備設(shè)備。但這種激光器的大帶寬是以相對較高的閾值或所需的功率為代價的。因此,這些激光器價格昂貴且占用大量空間,這在很大程度上限制了它們在實(shí)驗(yàn)室研究中的應(yīng)用。如果不克服這一限制,鈦藍(lán)寶石激光器將仍僅限于小眾客戶。
為此,他們展示了世界上第一個集成芯片級光子電路的摻鈦藍(lán)寶石激光器,它提供了芯片上迄今為止最寬的增益光譜——為眾多新應(yīng)用鋪平了道路。鈦藍(lán)寶石激光器的性能與芯片的小尺寸相結(jié)合,可以驅(qū)動受功耗或空間限制的應(yīng)用,如原子鐘、便攜式傳感器、可見光通信設(shè)備,甚至量子計(jì)算芯片。
成功的關(guān)鍵在于激光的低閾值。傳統(tǒng)摻鈦藍(lán)寶石激光器的閾值超過100毫瓦,而他們開發(fā)的系統(tǒng)的閾值約為6.5毫瓦。通過進(jìn)一步的調(diào)整,他們相信可以進(jìn)一步降低到1毫瓦。這一系統(tǒng)也與氮化鎵光電系列兼容,氮化鎵光電系列廣泛用于藍(lán)色發(fā)光二極管和激光器。
他們的原型光子電路集成摻鈦藍(lán)寶石激光器為下一代有源-無源集成可見光光子學(xué)中的寬帶可調(diào)諧激光器開辟了一條可靠的途徑。
關(guān)于Hong Tang教授
Hong Tang現(xiàn)為耶魯大學(xué)Llewellyn West Jones, Jr.電氣工程教授,2002年獲得加州理工學(xué)院博士學(xué)位。研究領(lǐng)域?yàn)槟蹜B(tài)物理學(xué)和量子物理學(xué),包括非線性和量子光學(xué)、納米機(jī)電系統(tǒng)、超導(dǎo)探測器和電路、量子換能器開發(fā)。當(dāng)前項(xiàng)目有:從微波到光子的量子轉(zhuǎn)換、量子網(wǎng)絡(luò)和量子通信、超導(dǎo)量子探測器。
Hong Tang曾獲得2010亞瑟格里爾紀(jì)念獎、2009帕卡德科學(xué)與工程獎學(xué)金、2009國家科學(xué)基金會事業(yè)獎、2008美國國家工程院(NAE)研討會特邀參與者等榮譽(yù)。
Hong Tang教授
今年1月,Hong Tang實(shí)驗(yàn)室還開發(fā)了第一個實(shí)現(xiàn)的片上光子數(shù)分辨(PNR)探測器,一次可以分辨多達(dá)100個光子。
目前的光子計(jì)數(shù)設(shè)備一次可以檢測到的光子數(shù)量有限,通常一次只能檢測一個,而且不超過10個。Hong Tang實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備不僅將PNR能力提升了100,而且在計(jì)數(shù)率上也提高了三個數(shù)量級。它還可以在易于訪問的溫度下運(yùn)行。
在他們的工作基礎(chǔ)上,研究人員計(jì)劃使設(shè)備更小并增加它可以檢測到的光子數(shù)量。包括使用不同的介電材料將其光子數(shù)分辨率提高到1000以上。
參考鏈接:
[2]https://seas.yale.edu/news-events/news/introducing-first-chip-sized-titanium-doped-sapphire-laser
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