哈佛团队研发皮秒级单片集成中红外激光器芯片

引言

尽管集成光频梳技术不断进步，但目前仍无法实现3 μm~12 μm中红外波段的紧凑型短脉冲光源。现有最先进的中红外超快脉冲发生器是基于近红外或可见光脉冲激光器的下变频技术（downconversion），其存在结构复杂、体积大且效率低下的问题。量子级联激光器通过将不同的纳米结构半导体材料层叠在一起，产生相干的中红外光束。与数十年来一直依赖锁模技术来产生脉冲的其他半导体激光器不同，量子级联激光器由于其固有的超快动力学特性，产生脉冲一直非常困难。现有的基于量子级联激光器的中红外脉冲发生器，通常需要复杂的结构才能实现脉冲发射，还需要许多分立的硬件组件，并且还受到特定输出功率和光谱带宽的限制。

近日，哈佛大学的科研团队在Nature期刊上发表了题为“Driven bright solitons on a mid-infrared laser chip（在中红外量子级联激光器芯片上实现驱动亮孤子）”的研究。该研究首次展示了一种集成在芯片上的皮秒级中红外激光脉冲发生器，不需外部组件就可以运行，并在数个小时内稳定产生覆盖关键气体吸收带的光谱。该中红外激光芯片以GHz量级，在8.3 μm中心波长上产生了1 ps的孤子。孤子产生方法类似于无源非线性Kerr谐振器，区别于可饱和吸收体的传统无源模式锁定或半导体激光器中通过增益调制实现的有源模式锁定激光，其创新性在于有源非线性激光谐振器中的快速双稳态性。

研究内容

在设计芯片架构时，研究人员从Kerr微谐振器的光调制设备中获得灵感，融合非线性光子学概念，在单芯片上无缝集成了环形谐振器、激光器和滤波器，通过孤子脉冲自激发机制，制造出无需外部组件的皮秒级光脉冲输出。该芯片级脉冲发生器将半导体锁模激光器（SMLL）和Kerr微谐振器的光谱范围扩展至整个中红外波段。图1展示了集成微谐振器系统中的脉冲产生。

半导体激光器的脉冲既需要脉冲发生机制，也需要脉冲稳定机制。该研究在有源量子级联谐振器中产生明亮孤子，无需主动稳定，即可在连续运行数小时后保持稳定，相关实验如图2所示。图3a展示了有源谐振器光子集成芯片。这项研究使用光子集成陷波滤波器来实现泵浦抑制，相关结果如图3所示。

为了解决需要额外激光器驱动孤子形成的问题，这项研究将泵浦激光器与有源谐振器单片集成，从而形成了紧凑型单片集成中红外激光器芯片，并对其进行了测试，相关结果如图4所示。

结语

综上所述，这种单片集成中红外激光器芯片可在中红外波段产生被称为光学频率梳的精密光谱，还可利用标准半导体制造工艺在工业激光器代工厂实现规模化生产。这项技术有望成为中红外光谱领域的颠覆者。利用现有制程实现该中红外激光器芯片的商业化量产，将推动环境监测、工业过程控制、生命科学研究和医疗诊断等多个领域的创新发展。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-08853-y