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这种全新片上光源可将红外波变为多种课件波长

2019.12.25

　　研究人员设计了一种新的芯片集成光源，可以将红外波长转换为可见波长，而使用基于硅芯片的技术很难生产这种波长。这种灵活的片上光产生方法有望实现高度小型化的光子仪器，该仪器易于制造且坚固耐用，可以在实验室外使用。美国国家标准与技术研究院（NIST），马里兰大学和科罗拉多大学的研究人员在光学协会（OSA）进行高影响力研究的期刊中描述了他们的新型光学参量振荡器（OPO）光源，并证明了这一点：它可以产生与输入光完全不同的颜色或波长的输出光。除了产生可见波长的光以外，OPO还同时产生可用于电信应用的近红外波长。

高效的光学参数振荡发生在硅芯片上的微环（中心淡蓝色环）中，因此耦合到该环中的红外激光（900纳米波长，以绿色表示）被转换为可见光（700 -纳米波长，以红色表示）和电信（1300纳米波长，以蓝色表示）。图片来源：NIST /马里兰大学的陆希元，受到“奥运五环”的启发。

　　开发非线性过程

　　尽管材料对光的响应通常呈线性比例变化，但是材料特性可以响应高功率的光而更快地改变，这会产生各种非线性效应。 OPO是一种使用非线性光学效应来创建非常宽范围输出波长的激光器。研究人员想弄清楚如何获取紧凑型芯片激光器容易获得波长的激光发射，并将其与非线性纳米光子学相结合，以产生硅光子学平台难以达到的波长激光。“非线性光学技术已经被用作世界上最好的原子钟和许多实验室光谱系统中激光器不可或缺的组件，”该论文的第一作者，美国马里兰州立大学NIST-University博士后学者路西元说。“能够访问集成光子内部不同类型的非线性光学功能（包括OPO），对于将当前基于实验室技术转换为可移植并可以在现场部署的平台而言至关重要。”

　　在这项新工作中，研究人员设计了一种基于氮化硅微环的OPO。该光学组件由大约1毫瓦的红外激光功率供电-大约与激光笔中的功率相同。随着光在微环周围传播，它的光强度会增加，直到强度足以在氮化硅中产生非线性光学响应为止。这可以实现频率转换，这是一种非线性过程，可用于产生与进入系统的光波长或频率不同的输出波长或频率。陆说：“纳米光子工程学的最新进展使这种频率转换方法非常有效。” “我们工作的关键进展是弄清楚如何促进特定的非线性相互作用，同时抑制该系统中可能出现的潜在竞争非线性过程。”

　　测试光源

　　研究人员使用详细的电磁仿真设计了新的片上光源。然后，他们制造了该设备，并使用该设备将900纳米的输入光转换为700纳米波长（可见）和1300纳米波长（电信）波段。 OPO使用不到2％的泵浦激光功率完成了此任务，而以前报道的微型谐振器OPO所需要的泵浦激光功率不到2％，而OPO是为产生广泛分离的输出颜色而开发的。在以前的情况下，生成的两种颜色都是在红外线中。通过对微环尺寸进行一些简单的更改，OPO还产生了780 nm可见光波段和1500 nm电信波段中的光。

　　研究人员说，新的OPO可以通过将廉价的商用近红外二极管激光器与OPO芯片相结合来构成一个完整的系统，该OPO芯片还集成了滤光片、检测器和光谱学部分等组件。他们正在继续寻找增加OPO产生输出功率的方法。Srinivasan表示：“这项工作表明非线性纳米光子技术已经达到成熟水平，我们可以创建一种设计来连接广泛分离的波长，然后实现足够的制造控制，以实现该设计以及预期的性能。” “展望未来，应该可以使用少量紧凑型芯片激光器与灵活而通用的非线性纳米光子技术相结合，产生各种所需的波长。”

振荡器片上光源红外波可见波

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周锦帆