微型激光開啟芯片尺寸傳感器之門

KEVIN MULTANI AND HUBERT STOKOWSKI

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

這種新設備是一種頻率梳——一種專門的激光器，可以產生多個波長的光，每個波長都有固定的頻率間隔。在光譜圖上，它看起來有點像梳子的牙齒。自它們首次開發(fā)以來的大約四分之一個世紀里，這些“光的標尺”已經徹底改變了從計時到分子檢測的許多高精度測量。此外，每條線都可以被隔離，并具有諸如其振幅調制以通過光纖傳輸數據等特性。

然而，頻率梳通常需要龐大、昂貴且耗電的設備。這在很大程度上限制了它們在實驗室環(huán)境中的使用。

現(xiàn)在，斯坦福大學的科學家采用了兩種不同的方法來創(chuàng)建微芯片級的頻率梳，這兩種方法是之前的工作所探索的。一種被稱為光學參數振蕩的策略是在晶體內反射激光束，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制，將激光發(fā)送到空腔中，然后施加射頻信號來控制光的相位，從而產生用于梳狀物的頻率重復。然而，這兩種策略都有缺點，例如能量效率低和調整光學參數的能力有限。

為了克服這些挑戰(zhàn)，科學家們試驗了一種名為薄膜鈮酸鋰(thin-film lithium niobate)的材料，與工業(yè)標準材料硅相比，這種材料具有許多優(yōu)點。其中兩個特性包括寬范圍的光波長如何穿過它，以及它如何允許不同波長的光束相互作用以產生新的波長。

這種新材料在單個腔中既能實現(xiàn)光學參數放大，又能實現(xiàn)相位調制。由此產生的“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，它可以在手機大小或更小的個人設備中使用。他們補充說，它也可以很容易地在傳統(tǒng)的微芯片制造廠制造。

斯坦福大學應用物理學副教授Amir Safavi-Naeini說：“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期的那樣產生光脈沖，而是出乎意料地產生了連續(xù)的輸出。因此，科學家們可以將該設備所需的輸入功率降低大約一個數量級。

一種高效、高性能的頻率梳

這種新設備將泵入腔中的光轉換為梳狀光的效率超過93%。它可以產生200條梳狀線，能在超過1THz的頻率上生成200條間隔約5.8GHz的梳狀線。事實證明，通過簡單地調整施加到它的無線電信號，它是高度可調的。Safavi Naeini說，所有這些特性使它“對需要檢測寬范圍頻譜的芯片級傳感器的新興想法極具吸引力”。

此外，該設備產生了平坦的梳狀，這意味著頻率遠離中心的梳狀線強度不會減弱。這種平坦的特性有助于提高精度，并使微梳在更廣泛的測量應用中發(fā)揮作用。

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

Safavi Naeini說：“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應用。生物傳感等其他領域也非常有趣?！?/p>

Safavi Naeini表示，未來，科學家們希望提高該設備的性能，并擴展其帶寬和工作波長范圍。

3月6日，科學家們在《自然》雜志（https://www.nature.com/articles/s41586-024-07071-2）線上詳細介紹了他們的發(fā)現(xiàn)。