片上激光推动激光雷达、AR/VR及其他领域的光子学里程碑

光子学在过去十年中取得了巨大进步，现在已经到了研究人员将大型激光系统小型化为集成半导体激光器的地步。现代房间大小的激光器面临的一个挑战是，这些设备无法快速调谐和重新配置，这两种设备对于激光雷达等重要用例都至关重要。

为了解决这些悬而未决的问题，罗切斯特大学领导的一个研究小组最近发表了一项研究，描述了一项“有可能重塑集成光子学景观”的创新。“该团队声称，他们新开发的激光器实现了两个第一：这是第一个在可见光波段具有快速可配置性的窄线宽激光器，也是第一个能够在电信波长内发射高相干光的多色集成波克尔激光器。这些特性使研究人员能够以创纪录的速度调谐激光的频率。

 

全芯片激光器预计将影响自动驾驶汽车、微波光子学、原子物理学和AR/VR中的激光雷达遥感。图片由罗切斯特大学提供

 

在这篇文章中，我们将讨论这项研究的工作原理之一——波克尔斯效应，以及罗切斯特大学的研究人员如何利用它来构建集成激光器。

 

什么是波克尔效应？

波克尔斯效应是一种电光效应，其中介质的折射率与外部施加的电场成比例地改变。这种效果产生一种叫做双折射，折射率与光的偏振和方向之间的关系，与电场强度成正比。波克尔斯效应只发生在非中心对称材料中，最流行的是铌酸锂等晶体材料。

 

波克尔斯细胞的解剖学。图片由奥林巴斯生命科学提供

 

波克尔效应也被称为线性电光效应，最常用的形式是波克尔电池。这些电池是旋转激光偏振的电光设备，由外部电场驱动。

 

罗切斯特大学将台式激光器缩小到芯片上

本周，由罗切斯特大学领导的一个研究小组透露了他们是如何设计出一种基于波克尔斯效应的新型集成激光器的。新型激光器使用绝缘体上铌酸锂（LNOI）波导元件形成外腔，然后与激光器的增益部分耦合。

 

新激光器的示意图。图片由罗切斯特大学提供

 

激光器利用这一部分作为由电信号驱动的相移来利用波克尔斯效应。通过这种方式，通过改变激光腔的有效光程长度，在器件上实现频率调制和频率调谐。该过程在不引入任何损耗的情况下进行，这是快速频率调谐的一个重要特征。

所得到的激光器被证明能够以2埃赫兹/秒的速度实现高频调制，并以50MHz的速率实现快速频率切换。

激光器原型提供了快速频率啁啾，通过记录短脉冲发射和反射光返回之间的时间来确定距离。这一特性与激光雷达传感器系统尤其相关。片上激光器还显示出克服传统集成激光器的光谱带宽限制的能力。此外，该激光器在窄波长范围内工作，并提供了快速的可重新配置性，这两种特性都是在原子物理学中操纵和探测离子和原子的有用特性。

 

基于灯光的用例Galore

根据该研究小组的说法，这种新型激光器对于需要快速精确频率控制的应用非常重要。通过将以前的大型技术小型化，研究人员预见到了在激光雷达、遥感、微波光子学和AR/VR等用例中的好处。