硅上运行激光器,兼容多种设备,这个研究称得上光子学的圣杯吗?

硅上运行激光器,兼容多种设备,这个研究称得上光子学的圣杯吗?
2021年11月30日 17:37 机器之心Pro

机器之心报道

编辑:陈萍、小舟

「激光可以改变世界」,Miarabbas Kiani 说道。

科学探索需要好奇心,这是许多重要科学研究的起点。

近日,来自加拿大汉密尔顿麦克马斯特大学的博士生 Khadijeh Miarabbas Kiani 使用一种简单、经济高效的方法演示了在硅上运行的单个激光器。

论文《Lasing in a Hybrid Rare-Earth Silicon Microdisk》已发表在《Laser & Photonics Reviews》上。值得一提的是,该论文的作者之一 Andrew Knights 是硅光子学领域的权威研究者。

论文地址:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202100348

现在 Miarabbas Kiani 等人的研究已经在硅上创建了一个单一的激光器,未来该团队将创建一个在硅光子电路内运行的激光器。

从高速通信到自动驾驶,再到医疗诊断,硅光子学领域超紧凑、低成本、节能的光学系统具有广泛的应用价值。然而,由于硅是一种低效的发光材料,开发简单、廉价且可扩展的单片放大器和光源一直是一项重大挑战。

「硅不是一种很好的激光材料,它是一种很好的探测器材料,但不是一种有效的光发射器。」Miarabbas Kiani 说道。

论文一作 Khadijeh Miarabbas Kiani

研究概览

很多研究者都认为在硅上制造激光器是一项长期挑战。早在 1980 年就有人开始尝试在硅上开发基于光的电路,不过他们很快就意识到在硅上建造真正的激光器存在很大的障碍。

Miarabbas Kiani 的研究成果不仅在硅芯片上展示了可工作的激光器,而且还是以一种简单、性价比高的方式实现了这一目标,并与现有的制造设施兼容。这种兼容性是必不可少的,因为它允许以低成本进行批量生产。试想一下如果成本太高,你将无法大规模生产。

在这项研究中,研究者展示了超紧凑混合稀土硅微盘谐振器中的光学增益和激光。这种激光谐振器结构简单、坚固、成本低,可以使用现有的晶圆级硅光子制造工艺和单个室温后处理步骤来实现。与之前的稀土激光器相比,激光腔和输出直接在硅层中,40-µm 直径的超紧凑器件尺寸与标准无源和有源硅光子器件兼容。

具体来说,该研究展示了 1.9 µm 附近的单模激光,使用单片掺铥碲酸盐增益介质和波长 1.6 µm 附近的有效泵浦,其中硅是高度透明的,并且商业泵浦光源很容易获得。

除了为硅光子微系统给出一种有效且低成本的稀土增益方法以外,此类激光器还为扩展新兴 2 µm 波段的应用提供了动力,这将对通信、非线性和量子光学以及传感器领域产生重要影响。

光学设计与制造

下图展示了微盘(microdisk)激光器结构。混合激光器由一个集成的硅微盘和总线波导管组成,它们涂有掺铥的氧化碲 (TeO_2:Tm^3+) 层。硅结构是在晶圆级 SOI 平台上制造的,硅层厚度为 220 纳米,由一个 40 微米直径的硅微盘组成,旁边是点耦合硅总线波导管。

光学特性

该研究使用可调谐激光器和光纤探头对微盘谐振器的无源传输特性进行了表征。下图a 中显示观察到与微盘谐振器支持的五种不同 TE 模式相关的窄谐振。下图b 测量了各种谐振模式和相关自由光谱范围 (FSR) 的内部质量因子。

传输和损耗测量

下图 a 为激光器测量设置原理图,下图b、c 显示了微盘谐振器的实验装置图像和显微图像。

TeO_2:Tm^(3+)-Si 混合微盘激光器的结果如下图所示。

目前,Miarabbas Kiani 正在工程物理系完成第四年的博士研究,她所在的研究小组主要致力于用微型、可大规模生产且节能的芯片微系统替代复杂、笨重且昂贵的光子系统的方法。

这项研究展示的硅芯片上工作的激光器能让全球制造设施兼容,简单且具有成本效益。

Miarabbas Kiani 表示:「在小型集成芯片上制造激光器将创造出强大的设备」,例如减轻患者疼痛的超精密手术尖端设备、降低事故率的传感器、高速互联网等。

Miarabbas Kiani 的联合导师 Jonathan Bradley 将这项技术誉为「光子学的圣杯」。不过,该研究随即在 Hacker News 上引起了大家的关注与讨论,有人质疑这项研究的实际意义,因为其中用到了稀有的低温材料,可能并不会节省成本或高度兼容:

但也有人认为这项研究很可能会给 MEMS 传感器等带来一些突破,如果还能降低激光器集成于设备上的成本,就将产生重大影响:

对此,你怎么看?

参考链接:

https://brighterworld.mcmaster.ca/articles/laser-on-silicon-khadijeh-miarabbas-kiani/

https://news.ycombinator.com/item?id=29383251

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