硅光子學新突破：緊湊型高能被動調Q激光器開啟微納光電子新時代

    在集成光學向空間與醫療等微型化應用領域拓展的進程中，芯片級高能光脈沖的產生已成為關鍵技術瓶頸。傳統調Q技術雖為高能脈沖生成的核心手段，但其長期被局限于大型臺式固態激光器與光纖激光器范疇，尤其在波長大于1.8μm的光譜區域，依賴大模面積與長腔結構實現能量存儲。而集成光子學中，緊密模式限制帶來的小模場橫截面特性，卻成為高能應用的主要障礙。

    德國電子同步加速器研究所（DESY）的NeeteshSingh團隊在《NaturePhotonics》發表的研究成果，突破性地實現了基于硅光子學的高能被動調Q激光器，為這一領域開辟了新路徑。該研究的核心創新在于采用稀土增益基大模面積波導結構，在僅9mm2的芯片面積內，實現了超過150nJ的片上輸出脈沖能量、250ns的脈沖持續時間，以及約40%的斜率效率，工作波長位于1.9μm的視網膜安全光譜區，且保持單橫基模輸出。

    從技術原理來看，該激光器通過三大設計突破解決了集成光子學的固有挑戰。其一，單層厚氮化硅波導構建的大模場面積結構（模場面積達26.7μm2），在保證緊湊彎曲半徑（90μm）的同時，實現了16.7cm的長腔往返長度，平衡了模式限制與能量存儲的矛盾。其二，基于銩摻雜氧化鋁膜的增益介質設計，通過840nm厚的薄膜實現3.2×102?cm?3的離子濃度，結合波分復用耦合技術，使泵浦與信號模式重疊率超過99%。其三，創新性引入基于非線性邁克爾遜干涉儀的可飽和吸收體（NLI-SA），利用克爾效應實現強度依賴的反射率調制，其80:20的功率分配比使調制深度超過50%，通過熱調諧補償制造偏差，精準控制調Q脈沖形成。

    實驗數據顯示，該激光器在400mW泵浦功率下展現出優異性能：光譜中心位于1.89μm，與泵浦和環路鏡的傳輸特性匹配；斜率效率達40%，遠高于此前同類研究的1%水平；脈沖能量超過150nJ，較傳統光纖調Q激光器提升約20dB。更重要的是，其功率穩定性波動僅1-2%，驗證了實際應用的可行性。

    這一技術突破在醫療與太空領域展現出顯著應用潛力。在醫學領域，1.9μm波長的高吸水性特性使銩激光器的組織消融閾值較鈥激光器降低四倍，而該集成器件輸出的亞微秒級脈沖、高光束質量與低附帶損傷特性，可精準應用于眼科手術、脊柱碎石等場景。在太空探索中，其緊湊的尺寸（芯片面積僅50美分硬幣大?。┡c低功耗特性，契合深空探測對微型化激光雷達的需求，可用于溫室氣體檢測、行星表面測距等任務。

    從技術演進角度看，該設計具備明確的拓展路徑。通過進一步增大模場面積，有望將腔內脈沖能量提升至微焦量級；優化可飽和吸收體參數，可實現亞納秒級短脈沖輸出。盡管需注意氮化硅波導的損傷閾值限制（納秒脈沖下約數百納焦至1微焦），但CMOS兼容的制造工藝為大規模集成奠定了基礎，未來可通過3D協集成技術與電子器件融合，推動光電子芯片的產業化進程。

    這項研究不僅打破了集成光子學在高能脈沖領域的性能瓶頸，更開創了“芯片級激光源替代傳統臺式系統”的可能性。從激光手術到星際探測，從環境監測到自由空間通信，基于硅光子學的調Q技術正以其顛覆性的尺寸優勢與性能表現，重塑光電子技術的應用邊界，為微型化、低功耗光電系統的發展注入新的動力。