硅光子学新突破：紧凑型高能被动调Q激光器开启微纳光电子新时代

    在集成光学向空间与医疗等微型化应用领域拓展的进程中，芯片级高能光脉冲的产生已成为关键技术瓶颈。传统调Q技术虽为高能脉冲生成的核心手段，但其长期被局限于大型台式固态激光器与光纤激光器范畴，尤其在波长大于1.8μm的光谱区域，依赖大模面积与长腔结构实现能量存储。而集成光子学中，紧密模式限制带来的小模场横截面特性，却成为高能应用的主要障碍。

    德国电子同步加速器研究所（DESY）的NeeteshSingh团队在《NaturePhotonics》发表的研究成果，突破性地实现了基于硅光子学的高能被动调Q激光器，为这一领域开辟了新路径。该研究的核心创新在于采用稀土增益基大模面积波导结构，在仅9mm²的芯片面积内，实现了超过150nJ的片上输出脉冲能量、250ns的脉冲持续时间，以及约40%的斜率效率，工作波长位于1.9μm的视网膜安全光谱区，且保持单横基模输出。

    从技术原理来看，该激光器通过三大设计突破解决了集成光子学的固有挑战。其一，单层厚氮化硅波导构建的大模场面积结构（模场面积达26.7μm²），在保证紧凑弯曲半径（90μm）的同时，实现了16.7cm的长腔往返长度，平衡了模式限制与能量存储的矛盾。其二，基于铥掺杂氧化铝膜的增益介质设计，通过840nm厚的薄膜实现3.2×10²⁰cm⁻³的离子浓度，结合波分复用耦合技术，使泵浦与信号模式重叠率超过99%。其三，创新性引入基于非线性迈克尔逊干涉仪的可饱和吸收体（NLI-SA），利用克尔效应实现强度依赖的反射率调制，其80:20的功率分配比使调制深度超过50%，通过热调谐补偿制造偏差，精准控制调Q脉冲形成。

    实验数据显示，该激光器在400mW泵浦功率下展现出优异性能：光谱中心位于1.89μm，与泵浦和环路镜的传输特性匹配；斜率效率达40%，远高于此前同类研究的1%水平；脉冲能量超过150nJ，较传统光纤调Q激光器提升约20dB。更重要的是，其功率稳定性波动仅1-2%，验证了实际应用的可行性。

    这一技术突破在医疗与太空领域展现出显著应用潜力。在医学领域，1.9μm波长的高吸水性特性使铥激光器的组织消融阈值较钬激光器降低四倍，而该集成器件输出的亚微秒级脉冲、高光束质量与低附带损伤特性，可精准应用于眼科手术、脊柱碎石等场景。在太空探索中，其紧凑的尺寸（芯片面积仅50美分硬币大小）与低功耗特性，契合深空探测对微型化激光雷达的需求，可用于温室气体检测、行星表面测距等任务。

    从技术演进角度看，该设计具备明确的拓展路径。通过进一步增大模场面积，有望将腔内脉冲能量提升至微焦量级；优化可饱和吸收体参数，可实现亚纳秒级短脉冲输出。尽管需注意氮化硅波导的损伤阈值限制（纳秒脉冲下约数百纳焦至1微焦），但CMOS兼容的制造工艺为大规模集成奠定了基础，未来可通过3D协集成技术与电子器件融合，推动光电子芯片的产业化进程。

    这项研究不仅打破了集成光子学在高能脉冲领域的性能瓶颈，更开创了“芯片级激光源替代传统台式系统”的可能性。从激光手术到星际探测，从环境监测到自由空间通信，基于硅光子学的调Q技术正以其颠覆性的尺寸优势与性能表现，重塑光电子技术的应用边界，为微型化、低功耗光电系统的发展注入新的动力。