一种类似“纳米级光参量振荡器(Optical Parametric Oscillator,OPO)”的硅基器件,可用于多种光学应用。 据麦姆斯咨询报道,近日,研究人员设计了一种新型硅基芯片级光源,可将红外光转换成可见光,这是传统硅基芯片技术难以实现的。研究者认为,这种灵活的芯片级光震荡“将使高度小型化的光子仪器易于制造且坚固耐用,足以在实验室以外实现应用。”

美国国家标准与技术协会(NIST)与马里兰大学帕克分校(University of Maryland)和科罗拉多大学(University of Colorado)的研究人员在Optica上发表的论文中描述了他们开发的新型光参量振荡器(OPO)光源,文中解释了它如何产生与输入光波长显著不同的输出光的原理。论文地址为:https://doi.org/10.1364/OPTICA.6.001535。
除产生可见光,OPO同时还能产生可用于通信的近红外光。
这款硅基器件可用于多种光子应用
“我们产生光的方法具有节能且灵活的特点,所产生的相干激光波长范围比直接芯片上集成激光器的频谱更宽。”研究团队负责人Kartik Srinivasan说,“随着纳米光子工程技术的最新发展,使得这种频率转换方法非常有效。”
Srinivasan补充道:“芯片上产生可见光可作为高功能性紧凑型器件的一部分,如基于芯片的原子钟或便携式生化分析器件。在硅光子学平台开发OPO,可为这些器件在商业代工厂规模化生产创造可能,这将使这种方案非常具有成本效益。”
利用非线性过程实现光频率的转换
尽管材料对光的响应通常是线性的,但材料的特性使其在高功率条件下对光的响应变化更快,从而产生各种非线性效应。OPO是一种利用非线性光学效应产生超宽输出波长的激光器。
研究人员想要弄清楚如何利用紧凑型芯片级激光器更易获得某波长的激光,并将其与非线性纳米光子学相结合,从而在硅光子学平台上产生难以实现的激光波长。
“非线性光学技术已成为全球最好的原子钟和许多实验室光谱学系统中激光器不可或缺的组成部分。”该论文的第一作者、NIST兼马里兰大学的博士后学者Xiyuan Lu说,“在集成光子学器件中,能够获得包括OPO在内的不同类型的非线性光学功能,这对于将目前基于实验室的技术转向便携式或可现场应用的平台非常重要。”
在这项最新研究中,研究人员设计了一种基于氮化硅微环的OPO。该光学元件由大约1 mW的红外激光提供能量。当光在微环中传播时,其光强会一直增加,直到在氮化硅中足以产生非线性光响应。这种方法使得频率转换成为可能,这是个非线性过程,可以产生与输入光不同的输出波长或频率。
“随着纳米光子工程学的最新发展,使得这种频率转换方法非常有效。”Lu说,“我们工作的关键进展就是弄清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的非线性过程。”
新型光源模拟测试
研究人员经过详实地电磁模拟后设计出新型芯片级光源。然后研究人员制造出该器件,并使用它将900 nm的输入光转换为700 nm(可见光)和1300 nm(通信)波段。
这款OPO仅利用很少的泵浦激光功率就实现这一目标,所需的泵浦激光功率不到先前报道用于产生宽泛分离输出颜色光波的微谐振腔OPO所需功率的2%。在此前的案例中,两种颜色光都是从红外光产生的。通过对微环尺寸进行一些简单改变,这款OPO还可以产生780 nm和1500 nm波段的光。
研究人员表示,通过将经济型商用近红外二极管激光器与OPO芯片相结合,这种新型OPO可以用来制造完整的系统,这种OPO芯片还集成了滤光片、探测器和光谱学组件。研究人员正在继续寻找增加OPO产生的输出功率的方法。
“这项研究表明,非线性纳米光电子学正达到成熟的水平,我们可以创建一种连接宽泛分离波长的设计,然后在实践中,掌握足够的制造控制工艺,以实现设计和预期的性能。”Srinivasan认为,“展望未来,将可能使用少量的紧凑型芯片级激光器,结合灵活多变的非线性纳米光子学器件,产生广泛的所需波长。”

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