盡管集成光頻梳技術不斷進步，但迄今為止，中紅外波段（3 μm~12 μm）的緊湊型短脈沖光源仍然遙不可及。最先進的中紅外超快脈沖發生器是基于近紅外或可見光脈沖激光器的下轉換（downconversion），結構復雜、體積笨重且效率低下。量子級聯激光器通過將不同的納米結構半導體材料層疊在一起，產生相干的中紅外光束。與數十年來一直依賴鎖模技術來產生脈沖的其他半導體激光器不同，量子級聯激光器由于其固有的超快動力學特性，產生脈沖一直非常困難。現有的基于量子級聯激光器的中紅外脈沖發生器，通常需要復雜的結構才能實現脈沖發射，并且需要許多分立的硬件組件。它們通常還受到特定輸出功率和光譜帶寬的限制。據麥姆斯咨詢報道，近日，哈佛大學的科研團隊首次展示了一種集成在芯片上的皮秒級中紅外激光脈沖發生器，不需外部組件就可以運行，并在數個小時內穩定產生覆蓋關鍵氣體吸收帶的光譜。該中紅外激光芯片以GHz重復頻率，在中心波長8.3 μm上產生了1 ps的孤子。孤子產生方案類似于無源非線性Kerr諧振器，取決于有源非線性激光諧振器中的快速雙穩態性，這完全不同于可飽和吸收體的傳統無源模式鎖定或半導體激光器中通過增益調制實現的有源模式鎖定激光。這項研究以“Driven bright solitons on a mid-infrared laser chip”為題發表在Nature期刊上。在設計芯片架構時，研究人員從Kerr微諧振器的光調制設備中獲得靈感，融合非線性光子學概念，在單芯片上無縫集成了環形諧振器、激光器和濾波器，通過孤子脈沖自激發機制，制造出無需外部組件的皮秒級光脈沖輸出。該芯片級脈沖發生器將半導體鎖模激光器（SMLL）和Kerr微諧振器的光譜范圍擴展至整個中紅外波段。圖1展示了集成微諧振器系統中的脈沖產生。半導體激光器的脈沖既需要脈沖發生機制，也需要脈沖穩定機制。該研究在有源量子級聯諧振器中產生明亮孤子，無需主動穩定，即可在連續運行數小時后保持穩定，相關實驗如圖2所示。圖3a展示了有源諧振器光子集成芯片。這項研究使用光子集成陷波濾波器來實現泵浦抑制，相關結果如圖3所示。為了解決需要額外激光器驅動孤子形成的問題，這項研究將泵浦激光器與有源諧振器單片集成，從而形成了緊湊型單片集成中紅外激光器芯片，并對其進行了測試，相關結果如圖4所示。綜上所述，這種單片集成中紅外激光器芯片可在中紅外波段產生被稱為光學頻率梳的精密光譜，還可利用標準半導體制造工藝在工業激光器代工廠實現規模化生產。這項技術有望成為中紅外光譜領域的顛覆者。利用現有制程實現該中紅外激光器芯片的商業化量產，將推動環境監測、工業過程控制、生命科學研究和醫療診斷等多個領域的創新發展。https://doi.org/10.1038/s41586-025-08853-y延伸閱讀：
《帶間級聯激光器和量子級聯激光器技術及市場-2021版》《硅光子及集成光路（PIC）技術及市場-2024版》
