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硅上運行激光器,兼容多種設備,這個研究稱得上光子學的圣杯嗎?

不大好熱的典范 3周前 ( 11-30 17:36 ) 5 搶沙發
硅上運行激光器,兼容多種設備,這個研究稱得上光子學的圣杯嗎?摘要: 機器之心報道 編輯:陳萍、小舟 「激光可以改變世界」,Miarabbas Kiani 說道。 科學探索需要好奇心,這是許多重要科學研究的起點。 近日,來自加拿大漢...

機器之心報道

編輯:陳萍、小舟

「激光可以改變世界」,Miarabbas Kiani 說道。

科學探索需要好奇心,這是許多重要科學研究的起點。

近日,來自加拿大漢密爾頓麥克馬斯特大學的博士生 Khadijeh Miarabbas Kiani 使用一種簡單、經濟高效的方法演示了在硅上運行的單個激光器。

論文《Lasing in a Hybrid Rare-Earth Silicon Microdisk》已發表在《Laser & Photonics Reviews》上。值得一提的是,該論文的作者之一 Andrew Knights 是硅光子學領域的權威研究者。

論文地址:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202100348

現在 Miarabbas Kiani 等人的研究已經在硅上創建了一個單一的激光器,未來該團隊將創建一個在硅光子電路內運行的激光器。

從高速通信到自動駕駛,再到醫療診斷,硅光子學領域超緊湊、低成本、節能的光學系統具有廣泛的應用價值。然而,由于硅是一種低效的發光材料,開發簡單、廉價且可擴展的單片放大器和光源一直是一項重大挑戰。

「硅不是一種很好的激光材料,它是一種很好的探測器材料,但不是一種有效的光發射器?!筂iarabbas Kiani 說道。

展開全文

論文一作 Khadijeh Miarabbas Kiani

研究概覽

很多研究者都認為在硅上制造激光器是一項長期挑戰。早在 1980 年就有人開始嘗試在硅上開發基于光的電路,不過他們很快就意識到在硅上建造真正的激光器存在很大的障礙。

Miarabbas Kiani 的研究成果不僅在硅芯片上展示了可工作的激光器,而且還是以一種簡單、性價比高的方式實現了這一目標,并與現有的制造設施兼容。這種兼容性是必不可少的,因為它允許以低成本進行批量生產。試想一下如果成本太高,你將無法大規模生產。

在這項研究中,研究者展示了超緊湊混合稀土硅微盤諧振器中的光學增益和激光。這種激光諧振器結構簡單、堅固、成本低,可以使用現有的晶圓級硅光子制造工藝和單個室溫后處理步驟來實現。與之前的稀土激光器相比,激光腔和輸出直接在硅層中,40-μm 直徑的超緊湊器件尺寸與標準無源和有源硅光子器件兼容。

具體來說,該研究展示了 1.9 μm 附近的單模激光,使用單片摻銩碲酸鹽增益介質和波長 1.6 μm 附近的有效泵浦,其中硅是高度透明的,并且商業泵浦光源很容易獲得。

除了為硅光子微系統給出一種有效且低成本的稀土增益方法以外,此類激光器還為擴展新興 2 μm 波段的應用提供了動力,這將對通信、非線性和量子光學以及傳感器領域產生重要影響。

光學設計與制造

下圖展示了微盤(microdisk)激光器結構?;旌霞す馄饔梢粋€集成的硅微盤和總線波導管組成,它們涂有摻銩的氧化碲 (TeO_2:Tm^3+) 層。硅結構是在晶圓級 SOI 平臺上制造的,硅層厚度為 220 納米,由一個 40 微米直徑的硅微盤組成,旁邊是點耦合硅總線波導管。

光學特性

該研究使用可調諧激光器和光纖探頭對微盤諧振器的無源傳輸特性進行了表征。下圖a 中顯示觀察到與微盤諧振器支持的五種不同 TE 模式相關的窄諧振。下圖b 測量了各種諧振模式和相關自由光譜范圍 (FSR) 的內部質量因子。

傳輸和損耗測量

下圖 a 為激光器測量設置原理圖,下圖b、c 顯示了微盤諧振器的實驗裝置圖像和顯微圖像。

TeO_2:Tm^(3+)-Si 混合微盤激光器的結果如下圖所示。

目前,Miarabbas Kiani 正在工程物理系完成第四年的博士研究,她所在的研究小組主要致力于用微型、可大規模生產且節能的芯片微系統替代復雜、笨重且昂貴的光子系統的方法。

這項研究展示的硅芯片上工作的激光器能讓全球制造設施兼容,簡單且具有成本效益。

Miarabbas Kiani 表示:「在小型集成芯片上制造激光器將創造出強大的設備」,例如減輕患者疼痛的超精密手術尖端設備、降低事故率的傳感器、高速互聯網等。

Miarabbas Kiani 的聯合導師 Jonathan Bradley 將這項技術譽為「光子學的圣杯」。不過,該研究隨即在 Hacker News 上引起了大家的關注與討論,有人質疑這項研究的實際意義,因為其中用到了稀有的低溫材料,可能并不會節省成本或高度兼容:

但也有人認為這項研究很可能會給 MEMS 傳感器等帶來一些突破,如果還能降低激光器集成于設備上的成本,就將產生重大影響:

對此,你怎么看?

參考鏈接:

https://brighterworld.mcmaster.ca/articles/laser-on-silicon-khadijeh-miarabbas-kiani/

https://news.ycombinator.com/item?id=29383251

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