耶魯大學(xué)教授Hong Tang領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了第一款芯片級(jí)摻鈦藍(lán)寶石激光器——這項(xiàng)創(chuàng)新可能會(huì)帶來原子鐘、量子計(jì)算和光譜傳感器等新應(yīng)用。研究結(jié)果已發(fā)表在Nature Photonics上[1]。

迄今為止芯片上最寬的增益光譜

20世紀(jì)80年代問世的摻鈦藍(lán)寶石激光器，是激光器領(lǐng)域的一大進(jìn)步。其成功的關(guān)鍵在于用作增益介質(zhì)的材料，即放大激光能量的材料。摻雜鈦離子的藍(lán)寶石被證明特別強(qiáng)大，提供比傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器寬得多的激光發(fā)射帶寬。這項(xiàng)創(chuàng)新帶來了物理學(xué)、生物學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域的重大發(fā)現(xiàn)和無數(shù)應(yīng)用。

臺(tái)式鈦藍(lán)寶石激光器是許多學(xué)術(shù)和工業(yè)實(shí)驗(yàn)室的必備設(shè)備。但這種激光器的大帶寬是以相對(duì)較高的閾值或所需的功率為代價(jià)的。因此，這些激光器價(jià)格昂貴且占用大量空間，這在很大程度上限制了它們?cè)趯?shí)驗(yàn)室研究中的應(yīng)用。如果不克服這一限制，鈦藍(lán)寶石激光器將仍僅限于小眾客戶。

為此，他們展示了世界上第一個(gè)集成芯片級(jí)光子電路的摻鈦藍(lán)寶石激光器，它提供了芯片上迄今為止最寬的增益光譜——為眾多新應(yīng)用鋪平了道路。鈦藍(lán)寶石激光器的性能與芯片的小尺寸相結(jié)合，可以驅(qū)動(dòng)受功耗或空間限制的應(yīng)用，如原子鐘、便攜式傳感器、可見光通信設(shè)備，甚至量子計(jì)算芯片。

成功的關(guān)鍵在于激光的低閾值。傳統(tǒng)摻鈦藍(lán)寶石激光器的閾值超過100毫瓦，而他們開發(fā)的系統(tǒng)的閾值約為6.5毫瓦。通過進(jìn)一步的調(diào)整，他們相信可以進(jìn)一步降低到1毫瓦。這一系統(tǒng)也與氮化鎵光電系列兼容，氮化鎵光電系列廣泛用于藍(lán)色發(fā)光二極管和激光器。

他們的原型光子電路集成摻鈦藍(lán)寶石激光器為下一代有源-無源集成可見光光子學(xué)中的寬帶可調(diào)諧激光器開辟了一條可靠的途徑。

關(guān)于Hong Tang教授

Hong Tang現(xiàn)為耶魯大學(xué)Llewellyn West Jones, Jr.電氣工程教授，2002年獲得加州理工學(xué)院博士學(xué)位。研究領(lǐng)域?yàn)槟蹜B(tài)物理學(xué)和量子物理學(xué)，包括非線性和量子光學(xué)、納米機(jī)電系統(tǒng)、超導(dǎo)探測(cè)器和電路、量子換能器開發(fā)。當(dāng)前項(xiàng)目有：從微波到光子的量子轉(zhuǎn)換、量子網(wǎng)絡(luò)和量子通信、超導(dǎo)量子探測(cè)器。

Hong Tang曾獲得2010亞瑟格里爾紀(jì)念獎(jiǎng)、2009帕卡德科學(xué)與工程獎(jiǎng)學(xué)金、2009國家科學(xué)基金會(huì)事業(yè)獎(jiǎng)、2008美國國家工程院(NAE)研討會(huì)特邀參與者等榮譽(yù)。

Hong Tang教授

今年1月，Hong Tang實(shí)驗(yàn)室還開發(fā)了第一個(gè)實(shí)現(xiàn)的片上光子數(shù)分辨(PNR)探測(cè)器，一次可以分辨多達(dá)100個(gè)光子。

目前的光子計(jì)數(shù)設(shè)備一次可以檢測(cè)到的光子數(shù)量有限，通常一次只能檢測(cè)一個(gè)，而且不超過10個(gè)。Hong Tang實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備不僅將PNR能力提升了100，而且在計(jì)數(shù)率上也提高了三個(gè)數(shù)量級(jí)。它還可以在易于訪問的溫度下運(yùn)行。 

在他們的工作基礎(chǔ)上，研究人員計(jì)劃使設(shè)備更小并增加它可以檢測(cè)到的光子數(shù)量。包括使用不同的介電材料將其光子數(shù)分辨率提高到1000以上。

參考鏈接：

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