文/ Sally Cole Johnson

图1：Jelena Vučković 和 Joshua Yang在实验室。Yang手里正举着芯片级钛宝石激光器和钛宝石块作尺寸对比。

斯坦福大学电子工程学教授Jelena Vučković领导的研究团队，在芯片上开创性地集成了钛宝石（Ti:sapphire）激光器（用绿色激光笔就可以泵浦）。与目前任何其他钛宝石激光器相比，这款原型机的体积缩小了4个数量级（即原来的万分之一），成本降低了3个数量级（即原先的千分之一）。

钛宝石激光器，由于其高增益带宽及超快脉冲输出，在尖端量子光学、光谱学和神经科学等领域不可或缺。然而由于其体积庞大，价格昂贵（每台价格数十万美元），以及需要高功率设备（每台售价约3万美元）来泵浦，因此限制了其广泛应用。

“在斯坦福大学的纳米和量子光子学实验室，基于金刚石和碳化硅等材料中的固态自旋量子位，我们进行了多次量子实验。这个实验很大程度上就依赖于商用钛宝石激光器。” Vučković团队的博士生 Joshua Yang介绍说。

除了价格昂贵，钛宝石激光器还很复杂，往往需要定期维护才能保持良好运行。Vučković教授的研究团队要进行大量实验，钛宝石激光器的机时完全不够用，因此只能共用设备，并需要管理实验时间表。此外，由于实验所需的功率远远低于商用钛宝石激光器的输出功率，因此只能将激光输出功率衰减几个数量级，导致大部分激光功率的浪费。

Yang说：“芯片级钛蓝宝石激光器，由于其低成本、结构紧凑及稳定耐用的特性，可以取代目前采用的商用钛宝石激光系统，为我们的精密实验保驾护航。”

图2：Jelena Vučković教授的研究团队研发的芯片级钛宝石激光器。激光器斜靠在一块钛宝石上，两者放在一个25美分硬币上。

巧妙的激光设计

该团队研发的芯片级激光由两个主要部分组成：波导和环形谐振器。

在二氧化硅（SiO2）基底上放置了一层钛宝石，然后将其置于蓝宝石晶体上。钛宝石层经过研磨、蚀刻和抛光，厚度仅为几百纳米。然后在其上绘制波导图案，波导就像一个由微小脊线组成的漩涡，引导光在其中传播。

采用一个微型加热器对波导加热，从而改变波导的折射率和光在波导中的传播速度，因此输出波长可以在红光至红外波长范围内调节（目前可调节范围为 60nm）。

“螺旋形的波导相当于激光的放大器，激光通过后功率会增加。”Yang解释说，“环形谐振器既可以作为滤波器，通过微加热器来调节激光的波长，又可以作为激光的谐振腔——作为激光传输的循环路径。”

图3：钛宝石波导放大器的光学图像，尺寸为0.5mm×0.5mm。

芯片级钛宝石激光器面临的挑战

钛宝石激光器最大的难点在于，需要高强度泵浦才能运行。通过高精密波导实现钛宝石激光技术，研究团队完成了两个重要突破：

第一，由于泵浦强度是功率除以面积，使用钛宝石光学波导，显著减少泵浦面积。“这意味着只需要更小的功率（约降低1000倍）就能达到与商用钛宝石系统类似的泵浦强度。”Yang解释说，“因此，即使是便宜的绿光半导体激光器，其功率也足以泵浦这款芯片级激光器。”

第二，将钛宝石激光器集成到芯片上。“芯片级蓝宝石激光器（没有更多的运动部件）拥有商业激光器所无法比拟的小型化、可扩展及耐用性，可以用于大规模晶圆级半导体制造。”Yang补充道。

对Yang来说，这项工作的亮点在于，这款芯片级钛宝石激光器被用于量子实验。他说，“在一个复杂的腔体量子电动力学（QED）实验中，看到这个微小的设备取代了体积庞大的商用激光系统，真是令人非常惊喜。因为我们研发的芯片级激光器确实非常特别。”

芯片级钛宝石激光器能够真正用于量子实验，Vučković研究团队必须克服的一个挑战就是优化泵浦源的耦合。“实验时，通过自由空间光路对激光器进行泵浦，”Yang说，“但有了光子封装技术，就可以集成一个绿光半导体激光器，作为芯片级钛宝石激光器的泵浦源。通过封装系统和泵浦源的耦合优化，可以实现更高功率的激光输出，并且激光器既便携又耐用。”

潜在应用

芯片级钛宝石激光器的应用领域非常广泛，从量子计算、原子钟等量子技术，到光学相干断层扫描和双光子显微等医疗应用，不一而足。

“希望这项技术在未来几年内能够逐渐成熟并在这些领域得到使用，”Yang说道。今年夏天毕业后，他将在Brightlight Photonics 公司工作，该公司将致力于促进芯片级钛宝石激光器的商业化应用。

目前，Jelena Vučković和她的研究团队正在研究一种可调谐的锁模芯片级钛宝石激光器。

脉冲激光“将为激光在量子技术、经典信息处理和生物医学中的应用带来新的机遇，”Vučković教授说。