哈工程校友首次在量子级联激光器介质中发现孤子,可用于片上的便携式光谱仪

“我希望把在国外的经验带到国内,尽自己努力把我们国家在量子级联激光器上的科研水平,做到可以和国外相媲美。”生于东北、学于东北,在留学东南亚和欧洲后,孟博再次回到东北。

他博士毕业于新加坡南洋理工大学,几个月前刚从瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH,Eidgenössische Technische Hochschule Zürich)结束博后研究回国,目前已正式加入长春光机所。

图 | 孟博(来源:孟博)

2021 年圣诞节前夕,他在瑞士做博后研究时的最后一篇论文发布在 Nature Photonics,题为《半导体环形激光器中的耗散克尔孤子》(Dissipative Kerr solitons in semiconductor ring lasers)[1]。

图 | 相关论文(来源:Nature Photonics)

该研究的最大亮点在于首次在量子级联激光器(Quantum Cascade Laser,QCL)介质中发现了孤子的产生,实现了孤子的输出,借此攻克了领域内长期存在的问题。

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据悉,非耗散克尔孤子是一种自组织光波,它能在色散、非线性和有损耗的介质中传播,同时保持其形状和振幅。由色散引起的自相位调制,平衡了由克尔效应引起的波包的扩散。

同样,它的振幅由外部泵浦激光器提供的参数增益来保持。此前,耗散克尔孤子首次在有源和无源光纤谐振器中得到证明,最近由于具有超高质量(Q)因子的集成 Kerr 微腔的发展,而引起了人们的关注。

(来源:Nature Photonics)

光频梳已被证明是一种对相干通信、超快光学测距、精确计量和频率合成等应用至关重要的颠覆性技术。近年来,集成光子学的快速进展,使得基于氮化硅和二氧化硅的低损耗 Kerr 微腔的 Q 因子往往可以超过 107。

由于阈值泵浦功率与 Q 因子的平方成反比,这一进步使得 Kerr 光频梳的产生阈值急剧降低,进而使新一代的小型化、电池驱动的光频梳成为了现实。

近年来,III-V 半导体比如砷化铝镓,正成为 Kerr 光频梳的潜力候选者。虽然这些材料所获得的 Q 因子还不能与氮化硅技术相媲美,但它们的 Kerr 非线性系数要大一到两个数量级。

最近的结果表明,在砷化铝镓微腔中,其 Kerr 光频梳的阈值功率仅为 36 μW,且具有超高的转换效率,展示具有强非线性系数的 III-V 材料在 Kerr 光频梳产生中的巨大潜力。

在该工作中,孟博利用量子阱中子带间跃迁的强非线性系数,通过电泵浦环形腔量子级联激光器的方式实现了中红外(> 4um)孤子光频梳。

(来源:Nature Photonics)

7.6微米!

2018 年,孟博开始准备这项研究,主要流程包括前期探索、结构设计、掩膜版设计、材料生长、器件制备和表征等,最后判断实验结果是否符合预期。

该研究的原始出发点在于,2012 年,孟博所在的杰罗姆·法斯特(Jérôme Faist)教授研究组实现了基于 QCL 的中红外光频率梳。由于多种气体在中红外有着强烈的特征吸收谱线,所以中红外光频梳对气体检测,光谱学等学科有着重要的应用价值。而在此之前,正是由于在光频梳领域的奠基性的贡献,物理学家约翰· L.霍尔( John L. Hall)和西奥多·W.汉斯(Theodor W. Hänsch)荣获了 2005 年获得诺贝尔物理学奖。

虽然 QCL 光频梳的性能取得了巨大提升,但是其随电流的稳定性不够好,当输入电流改变时,其激光输出状态也会发生相应改变。

(来源:Nature Photonics)

孟博思考的是,能否在较大电流范围内实现光频梳?他设想把光频梳从法-珀腔腔变为环形腔,以此来减弱甚至消除空间烧空效应,来提高器件的稳定光频梳输出范围。

实验结果表明,消除空间效应的确可以提高光频梳的稳定性,相关论文已于 2020 年发表在 Optica 上[2]。结果发现,通过对激光器输出的相位测量,输出波形具有很强的调幅特性。这使得孟博认为在 QCL 中有可能实现自发 Kerr 孤子的产生,而此次工作就是在优化了器件有源区和波导的基础上,首次观察到了 QCL 环形腔中的 Kerr 孤子现象。

无源 Kerr 微腔虽然在近红外取得了巨大成功,但是很难形成中红外的光频梳,因为非常强列的本征吸收。而孟博想做的是不同于传统的 Kerr 微腔,即开发一个有源 QCL 器件,这种器件无需外部的复杂控制,方便使用。

另一个好处在于,QCL 器件无需非常高的 Q 值,因为它本身的强非线性效应,能很好地弥补 Q 值不高的特性。理论及实验表明其 Kerr 非线性系数比氮化硅的大 100 多万倍。

(来源:Nature Photonics)

之前论文报道最长达到 4.2um,而该工作可达 7.6um。从理论上来讲,此项工作的原理可以运用到更长的波长范围。

两种独立的相位测量技术揭示了孤子的波形和相干性,并确定了重建的~3ps 的脉冲时间宽度。此外,通过光学滤波的办法,在去除色散波后,实现了无背景的 3.7ps 孤子脉冲。

可以说,该研究结果将 Kerr 光频梳的光谱范围扩展到中红外波长范围,并将有力的推动分子指纹区的集成、电池驱动并且便携式光谱仪的发展。

科研团队保持竞争力的三个因素

在此项工作中,孟博特别强调了团队的力量。他说:“尽管原始的想法是我提出来的,但是如果没有团队的支持,也很难做出很有意义的结果。我和马修·辛格尔顿(Matthew Singleton)合作了两篇工作,他是 SWIFT 测量方法的专家,他对精确测量的严格要求让我敬佩。 约翰内斯·希尔布兰德(Johannes Hillbrand)的加入使我们能够在比较短的时间内得到双光束的实验结果,从而再次确定孤子输出的特性。马丁·弗兰基(Martin Franckié)是一位优秀的青年理论物理学家,他为此项工作提供了理论支撑;马蒂亚斯·贝克(Mattias Beck)为这个项目提供宝贵的样品,当然没有我的导师杰罗姆·法斯特(Jérôme Faist)教授的指导,这一切都是不可能发生的。”

他认为:“一个充满活力的研究氛围,一个强有力的科研团队,一个自由的学术空间,这些可能就是 ETH 能够在日新月异的国际环境中保持竞争力的重要因素。”

图丨孟博(来源:孟博)

QCL 光频梳在很多领域都已得到应用。孟博原来所在的 ETH 课题组已成立相关技术公司,开发研究 QCL 光频梳的相关产品。

目前来说,使用环形腔结构的光频梳,可在实验室条件下应用。在其他条件下进行应用仍有一定难度,因为现阶段它的整体功率还不够高,其次其光谱宽度较窄。

总体来说,QCL 发展的限制因素在于器件生长和制备比较困难,这也是为何国际上从事 QCL 科研人员比较少的原因。但是它的应用越来越多,所以孟博觉得这是一个很好的发展方向,国内的相关需求也会越来越大。中国对中红外 QCL 的研究也已开始重视。

目前在中红外 4~10 微米之间,虽然有其他激光光源,但是它们都有明显短板,比如体积太大、价格昂贵、操作困难等。而 QCL 凭借其紧凑的结构,宽输出光谱等优点已经成为诸多实际用途比如传感、信息对抗、激光雷达、中红外通讯等的重要选择。

“我觉得长春光机所比较适合自己”

孟博的本硕毕业院校都位于东北冰城,本科毕业于哈尔滨工程大学,硕士毕业于哈尔滨工业大学,后在新加坡南洋理工大学获得博士学位,并在瑞士苏黎世联邦理工学院完成博后研究。

他说:“到瑞士以后,因为我的导师是一位非常出色的物理学家,这激励我也尝试从物理学家的角度,去探索 QCL 器件的物理机制,尝试新的想法。”

QCL 的研究对硬件的要求很高,从材料生长、器件制备到器件表征都需要很大的科研投入。国内的科研院所中,较少有课题组研究这种器件,目前仅有北京半导体所和上海微系统所等少数研究所具有相应的条件。

长春光机所此前并没有孟博的研究方向,但是有和他方向类似的研究领域,经过反复的权衡,他还是觉得长春光机所比较适合他。

孟博加入的长春光机所发光和应用国家重点实验室,在大功率半导体激光器上的研究方面处于全国领先位置,尤其在器件的制备、封装、及合束上具备丰富的经验。

他打算把相关原理应用到其他研究过程,这也是他接下来的科研计划之一。比如,他想把之前研究波段拓展到太赫兹波段,因为这个波段在通信,成像,光谱学等领域都有着非常重要的应用前景。

他计划通过研究 QCL 孤子光频梳的物理机理,对此进行提炼和升华,进而尝试在其他平台上的适用性。“从原理上讲是可行的,但还需要实验进行验证”他补充称。

-End-

参考:

1. B. Meng, M. Singleton, J. Hillbrand , M. Franckié, M. Beck and J. Faist, Dissipative Kerr solitons in semiconductorring lasers. Nat. Photon. (2021).

https://doi.org/10.1038/s41566-021-00927-3.

2. B. Meng, M. Singleton, M. Shahmohammadi,F.Kapsalidis, R. Wang, M. Beck, and J. Faist, Mid-infrared frequency comb from aring quantum cascade laser, Optica (2020).

https://doi.org/10.1364/OPTICA.377755.

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