微型激光开启芯片尺寸传感器之门

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KEVIN MULTANI AND HUBERT STOKOWSKI

一项新的研究发现，一种新型的超节能芯片微型激光器可以使强大的医疗传感器安装在手机中。

这种新设备是一种频率梳（https://spectrum.ieee.org/tag/frequency-comb）——一种专门的激光器，可以产生多个波长的光，每个波长都有固定的频率间隔。在光谱图上，它看起来有点像梳子的牙齿。自它们首次开发以来的大约四分之一个世纪里，这些“光的标尺”已经彻底改变了从计时到分子检测的许多高精度测量。此外，每条线都可以被隔离，并具有诸如其振幅调制以通过光纤传输数据等特性。

然而，频率梳通常需要庞大、昂贵且耗电的设备。这在很大程度上限制了它们在实验室环境中的使用。

现在，斯坦福大学的科学家采用了两种不同的方法来创建微芯片级的频率梳（https://spectrum.ieee.org/micro-comb），这两种方法是之前的工作所探索的。一种被称为光学参数振荡的策略是在晶体内反射激光束，使光组织成相干、稳定的波脉冲。另一种（https://en.wikipedia.org/wiki/Frequency_comb#Using_electro-optic_modulation_of_a_continuous-wave_laser）方法被称为相位调制，将激光发送到空腔中，然后施加射频信号来控制光的相位，从而产生用于梳状物的频率重复。然而，这两种策略都有缺点，例如能量效率低和调整光学参数的能力有限。

为了克服这些挑战，科学家们试验了一种名为薄膜铌酸锂(thin-film lithium niobate)的材料，与工业标准材料硅相比，这种材料具有许多优点。其中两个特性包括宽范围的光波长如何穿过它，以及它如何允许不同波长的光束相互作用以产生新的波长。

这种新材料在单个腔中既能实现光学参数放大，又能实现相位调制。由此产生的“微梳”只有1x10毫米的大小。研究人员表示，如此紧凑的尺寸表明，它可以在手机大小或更小的个人设备中使用。他们补充说，它也可以很容易地在传统的微芯片制造厂制造。

斯坦福大学应用物理学副教授Amir Safavi-Naeini说：“最令人惊讶的方面是它在带宽、频谱和效率方面的表现。”新的微梳并没有像研究人员预期的那样产生光脉冲，而是出乎意料地产生了连续的输出。因此，科学家们可以将该设备所需的输入功率降低大约一个数量级。

一种高效、高性能的频率梳

这种新设备将泵入腔中的光转换为梳状光的效率超过93%。它可以产生200条梳状线，能在超过1THz（https://spectrum.ieee.org/tag/terahertz）的频率上生成200条间隔约5.8GHz的梳状线。事实证明，通过简单地调整施加到它的无线电信号，它是高度可调的。Safavi Naeini说，所有这些特性使它“对需要检测宽范围频谱的芯片级传感器的新兴想法极具吸引力”。

此外，该设备产生了平坦的梳状，这意味着频率远离中心的梳状线强度不会减弱。这种平坦的特性有助于提高精度，并使微梳在更广泛的测量应用中发挥作用。

科学家们指出，梳状线之间的间距可能达到50到100GHz，该设备可能与蓝光到中蓝光一起工作。这表明微梳可以用于医疗诊断、光纤通信（https://spectrum.ieee.org/topic/telecommunications/）、激光雷达和光谱学等应用。

Safavi Naeini说：“我们最近开始研究非常轻量、低成本、低功耗的温室气体检测应用。生物传感等其他领域也非常有趣。”

Safavi Naeini表示，未来，科学家们希望提高该设备的性能，并扩展其带宽和工作波长范围。

3月6日，科学家们在《自然》杂志（https://www.nature.com/articles/s41586-024-07071-2）线上详细介绍了他们的发现。