微型激光開啟芯片尺寸傳感器之門

KEVIN MULTANI AND HUBERT STOKOWSKI

一項(xiàng)新的研究發(fā)現(xiàn)，一種新型的超節(jié)能芯片微型激光器可以使強(qiáng)大的醫(yī)療傳感器安裝在手機(jī)中。

這種新設(shè)備是一種頻率梳——一種專門的激光器，可以產(chǎn)生多個(gè)波長(zhǎng)的光，每個(gè)波長(zhǎng)都有固定的頻率間隔。在光譜圖上，它看起來(lái)有點(diǎn)像梳子的牙齒。自它們首次開發(fā)以來(lái)的大約四分之一個(gè)世紀(jì)里，這些“光的標(biāo)尺”已經(jīng)徹底改變了從計(jì)時(shí)到分子檢測(cè)的許多高精度測(cè)量。此外，每條線都可以被隔離，并具有諸如其振幅調(diào)制以通過(guò)光纖傳輸數(shù)據(jù)等特性。

然而，頻率梳通常需要龐大、昂貴且耗電的設(shè)備。這在很大程度上限制了它們?cè)趯?shí)驗(yàn)室環(huán)境中的使用。

現(xiàn)在，斯坦福大學(xué)的科學(xué)家采用了兩種不同的方法來(lái)創(chuàng)建微芯片級(jí)的頻率梳，這兩種方法是之前的工作所探索的。一種被稱為光學(xué)參數(shù)振蕩的策略是在晶體內(nèi)反射激光束，使光組織成相干、穩(wěn)定的波脈沖。另一種方法被稱為相位調(diào)制，將激光發(fā)送到空腔中，然后施加射頻信號(hào)來(lái)控制光的相位，從而產(chǎn)生用于梳狀物的頻率重復(fù)。然而，這兩種策略都有缺點(diǎn)，例如能量效率低和調(diào)整光學(xué)參數(shù)的能力有限。

為了克服這些挑戰(zhàn)，科學(xué)家們?cè)囼?yàn)了一種名為薄膜鈮酸鋰(thin-film lithium niobate)的材料，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)材料硅相比，這種材料具有許多優(yōu)點(diǎn)。其中兩個(gè)特性包括寬范圍的光波長(zhǎng)如何穿過(guò)它，以及它如何允許不同波長(zhǎng)的光束相互作用以產(chǎn)生新的波長(zhǎng)。

這種新材料在單個(gè)腔中既能實(shí)現(xiàn)光學(xué)參數(shù)放大，又能實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制。由此產(chǎn)生的“微梳”只有1x10毫米的大小。研究人員表示，如此緊湊的尺寸表明，它可以在手機(jī)大小或更小的個(gè)人設(shè)備中使用。他們補(bǔ)充說(shuō)，它也可以很容易地在傳統(tǒng)的微芯片制造廠制造。

斯坦福大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)副教授Amir Safavi-Naeini說(shuō)：“最令人驚訝的方面是它在帶寬、頻譜和效率方面的表現(xiàn)。”新的微梳并沒有像研究人員預(yù)期的那樣產(chǎn)生光脈沖，而是出乎意料地產(chǎn)生了連續(xù)的輸出。因此，科學(xué)家們可以將該設(shè)備所需的輸入功率降低大約一個(gè)數(shù)量級(jí)。

一種高效、高性能的頻率梳

這種新設(shè)備將泵入腔中的光轉(zhuǎn)換為梳狀光的效率超過(guò)93%。它可以產(chǎn)生200條梳狀線，能在超過(guò)1THz的頻率上生成200條間隔約5.8GHz的梳狀線。事實(shí)證明，通過(guò)簡(jiǎn)單地調(diào)整施加到它的無(wú)線電信號(hào)，它是高度可調(diào)的。Safavi Naeini說(shuō)，所有這些特性使它“對(duì)需要檢測(cè)寬范圍頻譜的芯片級(jí)傳感器的新興想法極具吸引力”。

此外，該設(shè)備產(chǎn)生了平坦的梳狀，這意味著頻率遠(yuǎn)離中心的梳狀線強(qiáng)度不會(huì)減弱。這種平坦的特性有助于提高精度，并使微梳在更廣泛的測(cè)量應(yīng)用中發(fā)揮作用。

科學(xué)家們指出，梳狀線之間的間距可能達(dá)到50到100GHz，該設(shè)備可能與藍(lán)光到中藍(lán)光一起工作。這表明微梳可以用于醫(yī)療診斷、光纖通信、激光雷達(dá)和光譜學(xué)等應(yīng)用。

Safavi Naeini說(shuō)：“我們最近開始研究非常輕量、低成本、低功耗的溫室氣體檢測(cè)應(yīng)用。生物傳感等其他領(lǐng)域也非常有趣?！?/p>

Safavi Naeini表示，未來(lái)，科學(xué)家們希望提高該設(shè)備的性能，并擴(kuò)展其帶寬和工作波長(zhǎng)范圍。

3月6日，科學(xué)家們?cè)凇蹲匀弧冯s志（https://www.nature.com/articles/s41586-024-07071-2）線上詳細(xì)介紹了他們的發(fā)現(xiàn)。