微型激光開啟芯片尺寸傳感器之門

KEVIN MULTANI AND HUBERT STOKOWSKI

一項新的研究發現，一種新型的超節能芯片微型激光器可以使強大的醫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境中的使用。

現在，斯坦福大學的科學家采用了兩種不同的方法來創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、穩定的波脈沖。另一種方法被稱為相位調制，將激光發送到空腔中，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，科學家們試驗了一種名為薄膜鈮酸鋰(thin-film lithium niobate)的材料，與工業標準材料硅相比，這種材料具有許多優點。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光學參數放大，又能實現相位調制。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。”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。”

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現。