华人科学家成功研制世界上首台芯片级掺钛蓝宝石激光器

光子盒研究院出品

耶鲁大学教授Hong Tang领导的研究团队开发出了第一款芯片级掺钛蓝宝石激光器——这项创新可能会带来原子钟、量子计算和光谱传感器等新应用。研究结果已发表在Nature Photonics上[1]。

迄今为止芯片上最宽的增益光谱

20世纪80年代问世的掺钛蓝宝石激光器，是激光器领域的一大进步。其成功的关键在于用作增益介质的材料，即放大激光能量的材料。掺杂钛离子的蓝宝石被证明特别强大，提供比传统半导体激光器宽得多的激光发射带宽。这项创新带来了物理学、生物学和化学领域的重大发现和无数应用。

台式钛蓝宝石激光器是许多学术和工业实验室的必备设备。但这种激光器的大带宽是以相对较高的阈值或所需的功率为代价的。因此，这些激光器价格昂贵且占用大量空间，这在很大程度上限制了它们在实验室研究中的应用。如果不克服这一限制，钛蓝宝石激光器将仍仅限于小众客户。

为此，他们展示了世界上第一个集成芯片级光子电路的掺钛蓝宝石激光器，它提供了芯片上迄今为止最宽的增益光谱——为众多新应用铺平了道路。钛蓝宝石激光器的性能与芯片的小尺寸相结合，可以驱动受功耗或空间限制的应用，如原子钟、便携式传感器、可见光通信设备，甚至量子计算芯片。

成功的关键在于激光的低阈值。传统掺钛蓝宝石激光器的阈值超过100毫瓦，而他们开发的系统的阈值约为6.5毫瓦。通过进一步的调整，他们相信可以进一步降低到1毫瓦。这一系统也与氮化镓光电系列兼容，氮化镓光电系列广泛用于蓝色发光二极管和激光器。

他们的原型光子电路集成掺钛蓝宝石激光器为下一代有源-无源集成可见光光子学中的宽带可调谐激光器开辟了一条可靠的途径。

关于Hong Tang教授

Hong Tang现为耶鲁大学Llewellyn West Jones, Jr.电气工程教授，2002年获得加州理工学院博士学位。研究领域为凝聚态物理学和量子物理学，包括非线性和量子光学、纳米机电系统、超导探测器和电路、量子换能器开发。当前项目有：从微波到光子的量子转换、量子网络和量子通信、超导量子探测器。

Hong Tang曾获得2010亚瑟格里尔纪念奖、2009帕卡德科学与工程奖学金、2009国家科学基金会事业奖、2008美国国家工程院(NAE)研讨会特邀参与者等荣誉。

Hong Tang教授

今年1月，Hong Tang实验室还开发了第一个实现的片上光子数分辨(PNR)探测器，一次可以分辨多达100个光子。

目前的光子计数设备一次可以检测到的光子数量有限，通常一次只能检测一个，而且不超过10个。Hong Tang实验室的设备不仅将PNR能力提升了100，而且在计数率上也提高了三个数量级。它还可以在易于访问的温度下运行。 

在他们的工作基础上，研究人员计划使设备更小并增加它可以检测到的光子数量。包括使用不同的介电材料将其光子数分辨率提高到1000以上。

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41566-022-01144-2

[2]https://seas.yale.edu/news-events/news/introducing-first-chip-sized-titanium-doped-sapphire-laser、

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