Miniatyriserte og høyeffektive mellominfrarøde lasere har vært i fokus for forskning innen det midt-infrarøde feltet de siste årene, som har stor betydning for spektroskopisk deteksjon av middels infrarød, ultrasensitiv molekylær fjernmåling og miljøovervåking i sanntid. Midt-infrarøde lasere på brikken basert på ikke-lineær frekvenskonvertering anses å være en av de mest lovende løsningene for miniatyriserte mid-infrarøde lasere foruten kvantekaskadelasere på grunn av deres evne til å oppnå ultrabredbåndsspektral utgang og ultrakort pulseksitasjon. Den nåværende forskningen på denne typen mellominfrarøde lasere fokuserer imidlertid hovedsakelig på tredje-ordens ikke-lineære bølgelederplattformer basert på silisium, germanium, etc., som ofte krever kompleks og fin bølgelederdispersjonsmodulasjon og miniatyrresonanshulrom med høykvalitetsfaktorer for å realisere høyeffektiv mid-infrarød laserutgang. Derfor er søket etter enkel og effektiv on-chip mid-infrarød lasergenerering basert på ikke-lineær frekvenskonvertering en teknisk utfordring som må løses snarest.
Basert på de ovennevnte store behovene og utfordringene, har Liang Houkuns team fra School of Electronics and Information Technology ved Sichuan University, sammen med Yang Huans team fra Shenzhen University of Technology, vellykket realisert on-chip integrasjon av dobbeltbrytende krystaller for første gang, basert på det ledende prinsippet om at "andreordens ikke-lineære respons av materialet er mye større enn tredjeordens ikke-lineære respons", og kombinert med eksisterende modne teknologier, som wafer bonding, optisk polering og laser direkte skriving, for å utvikle en on-chip dobbeltbrytende krystall med høy effektivitet. Ved å kombinere de eksisterende modne teknologiene som wafer bonding, optisk polering og laser direkte skriving, har vi for første gang realisert integrasjonen av dobbeltbrytende krystaller på brikken, og utviklet en ny mid-infrarød bølgelederplattform basert på ikke-lineær frekvenskonvertering. Gjennom bølgelederstørrelsesdesignet, basert på dobbeltbrytende fasetilpasning, realiseres en lavterskel, høyeffektiv bredbåndsavstembar langbølgelengde mellominfrarød laser, som forbedrer kvantekonverteringseffektiviteten med to størrelsesordener opp til 74 % sammenlignet med tradisjonell enkeltpass ikke-lineær frekvenskonverteringslyskilde basert på en bulkkrystall, og reduserer den eksisterende mid-infrarøde lasergenereringsterskelen med én størrelsesorden. Dette arbeidet gir en ny forskningsretning for neste generasjons høyeffektiv mid-infrarød lasergenerering og en gunstig guide for miniatyrisering av andre dobbeltbrytende krystaller. Artikkelen er publisert som Høyeffektiv oktavspennende langbølgelengde infrarød generering med 74 % kvanteeffektivitet i en χ(2) bølgeleder ble publisert i Nature Communications.
Liang Houkuns team ved Sichuan University har gjort betydelige fremskritt i studiet av nye mellominfrarøde lasere på brikken.
Flytskjema for fremstilling av bølgeleder
Enhetsdiagram og utgangslaserkarakteristikk
Dette arbeidet gir en ny forskningsretning for neste generasjons høyeffektiv mid-infrarød lasergenerering, og gir også gunstig veiledning for miniatyrisering av andre dobbeltbrytende krystaller.
