可调谐环形激光芯片实现多波长发射

近日据外媒报道，哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院与维也纳工业大学的研究人员联合开发出一种新型可调谐半导体激光器。这种采用简单芯片级设计的激光器展现出平滑、可靠且宽范围的波长调谐性能。

可调谐激光器是高速通信、医疗诊断、天然气管道安检等诸多技术的关键组件。但现有激光技术往往面临诸多权衡取舍——例如宽波长范围发射的激光器会牺牲单色性精度，且通常依赖含机械运动部件的复杂昂贵设计。这项新发明有望“以更小巧、更具成本效益的封装形式，替代多种现有可调谐激光器”。

相关研究已发表于《光学》期刊。项目由哈佛大学的罗伯特·华莱士应用物理学教授、电子工程Vinton Hayes高级研究员Federico Capasso，与维也纳大学的Benedikt Schwarz教授共同领导。

艺术家绘制的新型可调谐环形激光器示意图

更具商业价值的波长
研究团队最初展示的是中红外波段激光器，因其架构基于典型工作在该波段的量子级联激光器。“新平台的通用性意味着可采用相同工艺制造更具商业价值的波长激光器，”1994年量子级联激光器共同发明人Capasso表示，“包括通信波段、医疗诊断波段乃至可见光波段的各类应用。”

该激光器由多个尺寸各异的微型环形激光器组成，所有环形腔通过同一波导相连。每个环结构发射不同波长，通过调节电流输入即可实现波长平滑切换。其精巧的紧凑设计确保单波长稳定输出，即便在恶劣环境下仍能保持性能，且具备良好扩展性。环形结构既可单独工作，亦可协同增强光束强度。

“通过调整环尺寸，我们能精确锁定任意目标谱线及激射频率，”论文共同第一作者、哈佛Capasso实验室MIT联合培养研究生Theodore Letsou解释道，“所有激光通过同一波导耦合形成统一光束，这既扩展了半导体激光器的调谐范围，又可通过不同环半径精准锁定特定波长。”

“新研制的激光器最大优势在于制备工艺的简易性，”维也纳大学博士生、共同第一作者Johannes Fuchsberger补充道，“完全无机械运动部件，采用学校微纳结构中心超净间标准工艺即可实现小型化制备。”

这种环形激光器有望取代现有各类各具优劣的可调谐半导体激光器。例如分布反馈激光器虽能产生平滑精确光束（常用于通信光纤长距离光信号传输），但其调谐范围狭窄；而外腔激光器虽具宽调谐优势，却因含运动部件导致谱线跳变，目前主要用于检测甲烷/二氧化碳等特征吸收波长的管道气体泄漏传感器。