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哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院（海洋）的物理学家发明了一种紧凑的激光器，在有用但难以实现的波长中发出非常明亮的短脉冲，将大型光子设备的性能整合到芯片中。

这项研究发表在《 《自然》杂志上（自然），首次演示了可以在没有外部组件的情况下运行的片上的picsecond中红外激光脉冲发生器。该设备可以生成所谓的光学频率梳子，该光谱由同样间隔的频线（类似于梳子）组成，目前用于精确测量。将来，这种新的激光芯片有望加速高敏性，广泛气体传感器的环境监测或用于医学成像的新光谱工具。该论文的高级作家是Federico Capasso，Robert L. Wallace Applied Physics教授，以及哈佛工程和应用科学学院电子工程领域的Winton Hayes高级研究员（SEA）。这项研究得到了国家科学基金会和国防部的支持，与维也纳技术大学的Schwarz研究小组合作完成，由Luigi A. Lugiato领导的意大利科学家以及由Timothy Day领导的Leonardo Drs Daylight Solutions。

'这是一项令人兴奋的新技术，它集成了片上非线性光子技术，可以产生中红外超短脉冲；在此之前，没有这样的技术。更重要的是，该设备可以使用标准半导体制造工艺在工业激光铸造厂轻松生产。透明

Capsaso实验室研究小组的成员。光学表包含用于整合本文报道的激光源特性的实验设置。屏幕上是基于量子级联激光器的活动环谐振器的显微镜图像，以在激光芯片上展示明亮的孤子。从左Dmitry Kazakov，Pawan Latra，Theodore Lesu，Marco Picardo，Federico Capaso。

中红外是电磁频谱的无形部分，现在已在环境应用中充分利用。由于许多气体分子（例如二氧化碳和甲烷）可以有效地吸收中红外光，因此该波长范围一直是监测环境气体的重要工具，其中最具代表性的是1990年代Caparo率先推出的量子级联激光技术。

这篇新论文展示了一种生成宽带光源的方法，可以在一种设备中检测多种不同的气体吸收指纹。

Kapaso Research Group的助理研究员兼联合第一作者Dmitry Kazakov说：“这是创建所谓的超连续光源的关键步骤，它可以在单个芯片中以不同的频率产生数千个光线。我认为这个平台的未来确实有可能实现这一目标。透明

量子级联激光器是纳米型工程新壮举的基础，该努力通过将不同的纳米结构半导体材料分层在一起，从而产生连贯的中红外光束。几十年来，其他半导体激光器一直依靠成熟的模式锁定技术来产生脉冲，而量子级联激光器则不同，由于其固有的超快动态性质，它们仍然很难产生脉冲。现有的基于量子级联激光器的中红外脉冲发生器通常需要复杂的设置来实现脉冲发射，并且需要许多离散的硬件组件。它们通常也受到一定的输出功率和光谱带宽的限制。

量子级联光子整合芯片的光学显微镜图像。显示的芯片包含两个相同的设备，每个设备由四个组件组成：Fabry-Perot激光器，波导耦合器，电阻加热器和轨道谐振器。

这种新的脉冲发生器完美地结合了非线性集成光子学和集成激光器中的多个概念，从而形成了一种特定类型的picsecond Light Pulse，称为Solitons。在设计芯片结构时，研究人员从看似无关的光学调节设备Kerr微孔子器中汲取了灵感。他们的创造力使他们绕过传统的脉搏生成技术，例如模式锁定。

Capsaso Research Group的联合第一作者，MIT研究生兼研究员Theodore Lessu说：“我们的测量是量子级联激光研究中的非传统测量。” “我们合并了两类领域，将KERR谐振领域的研究结果应用于我们的系统。这是一个令人兴奋的过程。”

“对我来说，除了令人印象深刻的物理学外，我们的新作品最重要的影响是，它使我们有信心制造和运行多组分体系结构，这在此之前一直是中红外综合光子学领域的主要挑战。我们已经开发了新的体系结构来实现以前认为不可能的功能。透明

研究人员借鉴了1980年代发表的基本理论，该理论建立了被动Kerr共振器框架。新论文的合着者之一是路易吉·卢吉亚托（Luigi Lugiato），他致力于重复他的原始方程式以描述中红外激光系统的动态。意大利Insumbria大学的名誉教授Lujiato说：“这是从Lujiato-Lefefer方程研究之旅开始的令人兴奋的成功。从最初的被动系统模型中，它已发展为在各种腔体中孤子频率梳理的统一框架。沿着这一研究路径，我们成功地预测了超过阈值的光驱动量子级联激光器中的孤子- 该实验现在证实了这一点。透明

中红外激光芯片的效果图及其与每个组件的连接

这种新的中红外激光可以可靠地产生脉冲数小时。最重要的是，它也可以使用现有的工业制造工艺用于大规模生产，这将*加快其广泛使用。该设备由外部驱动的环谐振器，启动环谐振器的芯片激光器和第二个主动环谐振器作为滤镜组成。该芯片由维也纳技术大学制造。莱昂纳多DRS的论文兼高级副总裁兼总经理兼高级副总裁兼总经理蒂莫西·戴（Timothy Day）表示：“这项技术有望真正改变中红外光谱仪领域的游戏。通过现有制造过程大量生产这些设备的能力可以真正实现多个市场的下一个目标，包括环境监测，工业过程控制，生命科学研究和医学诊断。透明

这项研究基于国家科学基金会ECCS2221715的资金。其他资金来源包括美国国防部国防科学与工程学和欧洲研究委员会的研究生奖学金计划。

哈佛技术发展办公室保护与这项研究相关的创新，并正在探索商机。

该论文的其他合着者包括：Marco Piccardo，Lorenzo L. Columbo，Massimo Brambilla，Franco Prati，Sandro Dal Cin，Maximilian Beiser，NikolaOpaak，Pawan Ratra，Michael Pushtkarsky和David Caffey。