瑞士洛桑聯邦理工學院 (EPFL) 的研究人員成功將一種超快的飛秒激光整合到光子晶片上。這一重大里程碑標誌著，這種微型激光器的能量達到 1.05 奈焦耳，並能在 147 飛秒的瞬間內釋放。EPFL 的託比亞斯·J·基彭伯格教授表示：「在過去二十多年中，高脈衝能量的飛秒激光晶片被廣泛視為集成光子學的聖杯。我們的結果顯示，這不僅是可能的，而且可以通過一種被集成光子學界所忽視的優雅架構來實現。」
EPFL 的基於晶片的超快激光器在實驗室測試設置中運作。該項目成功地將超快激光器微型化，利用光子晶片通過微型波導來引導光，而非使用笨重的實驗室設備。這些激光器能夠發射僅持續幾百飛秒或千兆分之一秒的極為精確的光脈衝。這些高速激光器對於眼科手術、微機械加工和原子鐘等先進應用至關重要。
EPFL 團隊成功開發集成晶片級超快激光器
EPFL 團隊成功實現了許多專家認為不可能的目標，建造出第一款集成晶片級的超快激光器，並能與其大型桌面前輩的性能相媲美。為了達成這一目標，EPFL 團隊重新考慮了激光器如何處理光線。與其通過銅線傳導電流，光子晶片則通過刻在晶圓上的微型通道（波導）引導光線。然而，當將巨大的激光功率壓縮進數千倍於人類頭髮的細通道時，光線會劇烈地相互作用。在標準的激光設計中，這種結構壓力會導致超快脈衝不穩定並自我破壞。
解決方案源自於一個被遺忘的數十年前的光纖激光概念：Mamyshev 振盪器。這種設計像是一個高度選擇性的光子安全檢查點，將光線困在兩個調整為不同顏色光譜的光學濾波器之間。在小通道內，劇烈的脈衝自然擴展成寬範圍的顏色，這樣光線能夠通過兩個濾波器，反彈回來並獲得能量。這一設計尤為吸引人，因為它不需要在這種摻鋇硅氮化物晶片上製造困難的組件。
更重要的是，Mamyshev 結構實際上在強烈的光與光之間的相互作用中茁壯成長，而這些相互作用會摧毀其他晶片設計。將 42 釐米長的激光路徑折疊成微型螺旋的意義重大。有趣的是，這些光子晶片可以像計算機處理器一樣在硅晶圓上大規模生產。一次生產可以同時產出超過 1,000 個完全獨立的超快激光器。這種規模的生產將大幅降低生產成本。
曾經需要數萬美元並佔據半個房間的千瓦級峯值功率，未來可能會在經濟實惠的手持設備上實現。這項技術可以應用於多個領域。在不久的將來，環保團隊可以使用口袋大小的傳感器即時檢測微小污染物。醫生可以在偏遠村莊使用手持工具進行高級醫療診斷。最終，這些微型激光器將為緊湊型、高度可攜帶的原子鐘提供動力，為下一代導航系統鋪平道路，即使在完全切斷衞星 GPS 的情況下也能無縫運作。
這項研究於 6 月 3 日發表在《自然》期刊上。
