荷兰科学家取得超高效连续白光激光器研发突破

近日，荷兰特文特大学的研究人员取得了芯片上超高效超连续谱生成的突破。这项研究成果发表在《高级光子学研究》专业期刊上，代表着集成光子学领域又向前迈出了重要一步。未来，突破性技术有望应用于便携式医疗成像设备、化学传感和激光雷达。

通常情况下，激光器发出的光束具有相干性，发出的波在频率和波形上是相同的。光束的相干特性，得以让激光器能以非常低的噪音在极远距离上发送窄光束。但这也意味着激光器通常只发射单一波长，从而限制了应用。相比之下，超连续谱激光器能够产生连续的彩色光谱，因此可以生成白光。

论文第一作者Superlight Photonics创始人Haider Zia（左）和公司首席执行官Jaap Beernink

超连续谱激光器的技术用于3D成像设备。然而，事实证明，为了产生如此宽的颜色带宽，超连续谱激光器具有高峰值能耗（脉冲能量），而且必须在实验室的环境条件才能稳定。这使得超连续谱激光器本身就昂贵，不适合广泛应用。

交替波导

此前，业界已经探索了几种降低超连续谱激光器脉冲能量的方法。一种方法是利用带隙较小的材料，通过增加非线性易感性来提高波导的有效非线性系数。然而，这可能会限制高效非线性带宽生成的材料选择。

另一种方法是通过严格限制波导内的光辐射来提高峰值强度。因此，选择高指数对比度的波导CMOS兼容平台，如氮化硅电路，可以进一步提高峰值强度和带宽。这些方法最终失败了，因为脉冲的峰值功率会因为波导色散和自相位调制的相互作用而丧失。因此，简单地增加约束或增加波导长度，并不能有效满足全集成超连续谱生成源的低脉冲能量要求。

特文特大学的研究人员设法显著减少超连续谱激光器所需的脉冲能量。为了做到这一点，研究团队使用了符号交替色散波导（sign-alternating-dispersion waveguides）。波导被设计为通过交替加宽和变窄光束来控制光束的色散。

在整个传播过程中交替使用不同长度段的色散符号，以抵消光谱生成的两种类型的超连续谱生成停滞机制。然后，随着交替色散段数量的增加，带宽增加，特别是在1/e水平，导致光谱生成长度大幅增加，只有在波导损失开始占主导地位时才会终止。

论文第一作者Haider Zia评论道：“与传统方法相比，使用这种方法，我们将所需的脉冲能量减少了约千倍。这是集成光子学领域的一个令人兴奋的发展。我们的方法为在芯片上产生超连续谱光提供了一种更有效的方法，可以为医学成像和激光雷达方面提供很多潜在应用。”

用于超连续谱产生的符号交替色散SiN波导。a）集成波导结构1和结构2的图示。较暗的区域表示氮化硅芯，而较亮的区域对应于氧化硅包层。显示了两个结构的总长度，还显示了正常色散（ND）和反常色散（AD）段的数量。通过所示电场分布的定性动力学来显示非线性脉冲传播。线段的长度和宽度未按比例显示；b）1350nm宽度的AD段的s偏振模式与波长的计算色散曲线（红色显示）和650nm宽度的ND段的波长（以蓝色显示）。还示出了波导的相关非线性系数。阴影区域是色散符号反转的波长范围；c） P偏振的色散分布，类似于图（b）；d） 实验设置图示。用传输超短脉冲的光纤激光器作为光源。PBS指偏振分束器，DM指介质镜（1550 nm），SM表示宽带银镜，MM表示多模光纤。光学光谱分析仪（OSA）是指近红外或可见光光谱分析仪（Ocean View NirQuest256和Ando AQ6315A光谱分析仪）

论文摘要

《高级光子学研究》的论文摘要指出：“芯片上完全集成的超连续谱源对于实现便携式和机械稳定的医学成像设备、化学传感、光检测和测距等应用至关重要。然而，当前超连续谱生成方案的低效率阻碍了芯片上的完全集成。”

特文特大学的研究团队提出了一种方案，其中集成超连续谱生成的输入能量需求大幅降低了几个数量级，用于500-1000数量级的带宽生成 纳米。通过CMOS兼容氮化硅波导中的符号交替色散，实现了达到2800倍的效率提高。