近日，美国哈佛大学的物理学家科研团队展示了一种集成在芯片上的皮秒级中红外激光脉冲发生器，不需外部组件就可以运行，并在数个小时内稳定产生覆盖关键气体吸收带的光谱。

论文通讯作者为SEAS应用物理学Robert L. Wallace讲席教授、电气工程Vinton Hayes高级研究员Federico Capasso。该研究获得美国国家科学基金会和国防部支持，合作机构包括维也纳技术大学Schwarz课题组、由Luigi A. Lugiato领衔的意大利科学家联盟，以及Timothy Day创办的Leonardo DRS Daylight Solutions公司。

相关研究成果以《Driven bright solitons on a mid-infrared laser chip》为标题，发布在近期的《自然》杂志上。中红外激光芯片及其连接各个组件的效果图这种激光器是基于20世纪90年代开创的量子级联技术。量子级联激光器通过将不同的纳米结构半导体材料层叠在一起，产生相干的中红外光束。与数十年来一直依赖锁模技术来产生脉冲的其他半导体激光器不同，量子级联激光器由于其固有的超快动力学特性，产生脉冲一直非常困难。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才能实现脉冲发射，并且需要许多分立的硬件组件。它们通常还受到特定输出功率和光谱带宽的限制。

在设计芯片架构时，研究人员从克尔微谐振器的光调制设备中获得灵感，融合非线性光子学概念，在单芯片上无缝集成了环形谐振器、激光源和滤波器，通过孤子脉冲自激发机制，制造出无需外部组件的皮秒级光脉冲输出。

实验结果表明，新型激光器能在中红外波段产生称为光学频率梳的精密光谱。光学频率梳是一种由等间距频率线（如同梳齿）组成的光谱，这种光谱结构目前已被广泛应用在高精度测量领域。

Federico Capasso表示：“这一成果是以前未能实现的。更重要的是，此类设备可利用标准半导体制造工艺在工业激光代工厂中实现规模化生产。”中红外波目前已在环境领域展现出重要应用价值。由于二氧化碳和甲烷等许多气体分子都能高效吸收中红外光，因此，这一波长范围已成为监测环境气体的重要工具。量子级联光子集成芯片的光学显微镜图像

新型中红外激光器可连续稳定工作数小时，更重要的是能够利用现有工业制程量产，这将极大加速其广泛应用。该器件由可外部驱动的环形谐振器、驱动谐振器的片上激光器，以及作为滤波器的第二有源环形谐振器组成，芯片在维也纳技术大学制造。

论文合著者、Leonardo DRS Daylight Solutions高级副总裁Timothy Day表示："这项技术有望成为中红外光谱领域的颠覆者。利用现有制程实现商业化量产，将推动环境监测、工业过程控制、生命科学研究和医疗诊断等多个市场的创新发展。"