从光纤通信到医疗诊断，可调谐激光器是现代科技的基石。但长久以来，其性能、体积与成本似乎是不可兼得的“鱼与熊掌”。近日，哈佛大学工程与应用科学学院（SEAS）与维也纳工业大学（TU Wien）的研究人员联合开发出一种新型可调谐半导体激光器，有望通过一种极其精巧的芯片级设计，彻底打破这一技术瓶颈。该激光器在简洁的架构中融合了当前先进激光技术的核心优势，具备平滑、可靠且宽范围的波长调谐能力，在高速通信、医疗诊断和气体传感等领域有广泛应用前景。相关研究成果发表在Optica上。

现有技术的“权衡困境”

可调谐激光器指的是一种输出波长可按需调整和精确控制的激光器，它在高速通信、医疗诊断、天然气管道安全检测等众多领域都发挥着关键作用。不过，现有技术仍存在不小的瓶颈：能够覆盖较宽波长范围的激光器，往往难以兼顾各波长下的输出精度；而能在多种波长间精确切换的激光器，通常依赖内部移动部件，不仅结构复杂，也推高了制造与使用成本。

环形阵列：

化繁为简的巧妙设计

哈佛大学研发的一款新型可调谐激光器，凭借更小的封装尺寸与更高的性价比，有望在未来取代市场上多类现有产品。该项目由哈佛大学工程与应用科学学院的Federico Capasso教授与维也纳工业大学的Benedikt Schwarz教授联合领衔，两支团队在这一领域已深度合作多年。

他们最早展示的是一款在中红外波段发射光的激光器，这是因为所采用的架构基于量子级联激光器，而此类器件通常工作在这一波段。作为1994年量子级联激光器的共同发明者之一，Capasso教授指出：“这一新技术平台通用性极高，这意味着未来我们可以基于它制造出更多具商业潜力的激光器——无论是面向光纤通信、医疗诊断，还是能够发射可见光的各类设备。”

新型可调谐环形激光器示意图

图源：Joshua Mornhinweg

这款新型激光器的核心是一组尺寸略有差异的微型环形激光器阵列，它们共同连接在同一根波导上。不同尺寸的环形腔会产生不同波长的激光，通过调节输入电流，系统即可在各个波长间实现平滑切换。这种紧凑而精妙的结构，既保证了激光器在任一时刻只输出单一波长的光，又具备良好的环境稳定性和可扩展性。各个环形激光器既能独立运行，也可协同工作，以提升输出光束的强度。

该论文的共同第一作者——麻省理工学院研究生、哈佛大学Capasso实验室成员Theodore Letsou介绍道：“通过调节环形谐振器的尺寸，我们可以精确锁定所需的谱线与发射频率。所有环形激光器的输出光最终耦合进同一波导，形成一束统一的光束。这种设计的优势在于，不仅显著拓展了传统半导体激光器的调谐范围，还能依靠调整环形半径，精准选择目标波长。”

根除痛点：

新架构的内在优势

该研究的共同第一作者、维也纳工业大学研究生Johannes Fuchsberger表示：“这款激光器最大的优势在于制造工艺极为简洁——没有任何机械可动部件，工艺流程也相对直接，因此能够实现极为紧凑的器件尺寸。整套器件均在维也纳工业大学微纳结构中心的洁净室内完成制备。”

更值得一提的是，这种独特的架构还能有效规避光学反馈等常见难题。光学反馈是指部分激光被反射回光源，可能导致系统失稳。而该激光器的环形腔只沿单一方向（顺时针或逆时针）发射光，从设计上就杜绝了反向反射的发生。

市场前景：

迈向商业化的新一代技术

目前，市面上已有多种可调谐半导体激光器，各自针对不同应用场景展现出优势与不足。这款新型环形激光器则有望在多领域替代现有方案。

例如，分布式反馈（DFB）激光器可输出平滑、精确的光束，因而常用于电信光纤中实现远距离信号传输，但其波长调谐范围十分有限。外腔（ECL）激光器的调谐范围更宽，却因结构复杂、包含活动部件而易出现波长跳变，常被用于气体传感领域，如甲烷、二氧化碳等在特定波长具有吸收特性的气体检测。

论文的共同作者还包括 Dmitry Kazakov 与 Rolf Szedlak。该研究获得了美国联邦资金资助，团队已联合哈佛大学技术发展办公室及维也纳工业大学专利与许可管理办公室，对核心知识产权进行保护，以推动后续的商业化进程。

转自：千链激光网

来源：激光评论

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