文/ Sally Cole Johnson

圖1：Jelena Vučković 和 Joshua Yang在實驗室。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。

斯坦福大學電子工程學教授Jelena Vučković領導的研究團隊，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，這款原型機的體積縮小了4個數量級（即原來的萬分之一），成本降低了3個數量級（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、光譜學和神經科學等領域不可或缺。然而由于其體積龐大，價格昂貴（每臺價格數十萬美元），以及需要高功率設備（每臺售價約3萬美元）來泵浦，因此限制了其廣泛應用。

“在斯坦福大學的納米和量子光子學實驗室，基于金剛石和碳化硅等材料中的固態(tài)自旋量子位，我們進行了多次量子實驗。這個實驗很大程度上就依賴于商用鈦寶石激光器。” Vučković團隊的博士生 Joshua Yang介紹說。

除了價格昂貴，鈦寶石激光器還很復雜，往往需要定期維護才能保持良好運行。Vučković教授的研究團隊要進行大量實驗，鈦寶石激光器的機時完全不夠用，因此只能共用設備，并需要管理實驗時間表。此外，由于實驗所需的功率遠遠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數量級，導致大部分激光功率的浪費。

Yang說：“芯片級鈦藍寶石激光器，由于其低成本、結構緊湊及穩(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)，為我們的精密實驗保駕護航。”

圖2：Jelena Vučković教授的研究團隊研發(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25美分硬幣上。

巧妙的激光設計

該團隊研發(fā)的芯片級激光由兩個主要部分組成：波導和環(huán)形諧振器。

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

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

“螺旋形的波導相當于激光的放大器，激光通過后功率會增加。”Yang解釋說，“環(huán)形諧振器既可以作為濾波器，通過微加熱器來調節(jié)激光的波長，又可以作為激光的諧振腔——作為激光傳輸的循環(huán)路徑。”

圖3：鈦寶石波導放大器的光學圖像，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在于，需要高強度泵浦才能運行。通過高精密波導實現鈦寶石激光技術，研究團隊完成了兩個重要突破：

第一，由于泵浦強度是功率除以面積，使用鈦寶石光學波導，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）就能達到與商用鈦寶石系統(tǒng)類似的泵浦強度。”Yang解釋說，“因此，即使是便宜的綠光半導體激光器，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。“芯片級藍寶石激光器（沒有更多的運動部件）擁有商業(yè)激光器所無法比擬的小型化、可擴展及耐用性，可以用于大規(guī)模晶圓級半導體制造。”Yang補充道。

對Yang來說，這項工作的亮點在于，這款芯片級鈦寶石激光器被用于量子實驗。他說，“在一個復雜的腔體量子電動力學（QED）實驗中，看到這個微小的設備取代了體積龐大的商用激光系統(tǒng)，真是令人非常驚喜。因為我們研發(fā)的芯片級激光器確實非常特別。”

芯片級鈦寶石激光器能夠真正用于量子實驗，Vučković研究團隊必須克服的一個挑戰(zhàn)就是優(yōu)化泵浦源的耦合。“實驗時，通過自由空間光路對激光器進行泵浦，”Yang說，“但有了光子封裝技術，就可以集成一個綠光半導體激光器，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，可以實現更高功率的激光輸出，并且激光器既便攜又耐用。”

潛在應用

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

“希望這項技術在未來幾年內能夠逐漸成熟并在這些領域得到使用，”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芯片級鈦寶石激光器的商業(yè)化應用。

目前，Jelena Vučković和她的研究團隊正在研究一種可調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、經典信息處理和生物醫(yī)學中的應用帶來新的機遇，”Vučković教授說。