光子学在过去十年取得了长足的进步，现在研究人员正在将大型激光系统小型化为集成半导体激光器。现代房间大小的激光器面临的一个挑战是，这些设备不能被快速调谐和重新配置，而这两点对于LiDAR等突出的用例是至关重要的。

为了解决这些悬而未决的问题，美国罗切斯特大学领导的一个研究小组最近发表了一项研究，描述了一项创新，"有可能重塑集成光子学的格局"。该团队声称，他们新开发的激光器实现了两个创新：既是在可见光波段具有快速可配置性的窄线宽激光器，也是能够在电信波长内发射高相干性光的多色集成泡克尔斯激光器。这些特点使研究人员能够以创纪录的速度调整激光器的频率。

在这篇文章中，我们将讨论这项研究的工作原理之一泡克尔斯效应，以及罗切斯特大学的研究人员如何利用它来建立一个集成激光器。

什么是泡克尔斯效应？

泡克尔斯效应是一种电光效应，其中介质的折射率与外部施加的电场成比例地改变。这种效应产生一种叫做双折射的东西，即折射率与光的偏振和方向之间的关系，它与电场的强度成正比。众所周知，泡克尔斯效应只发生在非中心对称材料中，其中最受欢迎的是晶体材料，如铌酸锂。

泡克尔斯效应也被称为线性电光效应，最常用的形式是泡克尔斯电池。这些电池是旋转激光器偏振的电光设备，由外部电场驱动。

将台式激光器缩小到芯片上

本周，由罗切斯特大学领导的一个研究小组透露了他们如何在泡克尔斯效应的基础上设计出一种新型的集成激光器。这种新型激光器使用绝缘体上的铌酸锂（LNOI）波导元件来形成一个外部腔体，然后与激光器的增益部分耦合。

激光器将该部分作为一个由电信号驱动的相移，以利用泡克尔斯效应。这样，通过改变激光腔的有效光路长度，就可以在设备上实现频率调制和频率调整。这一过程不会引入任何损耗，这是快速频率调谐的一个重要特征。

由此产生的激光器被证明可以实现2 exahertz/s速度的高频调制和50MHz速度的快速频率切换。

该激光器原型提供了快速频率啁啾，它通过记录一个短脉冲的发射和反射光返回之间的时间来确定距离。这一功能对于LiDAR传感器系统来说尤其重要。片上激光器还显示了克服传统集成激光器的光谱带宽限制的能力。此外，该激光器在狭窄的波长内工作，并提供快速的可重构性，这两个特点对于操纵和探测原子物理学中的离子和原子很有用。

据该研究小组称，新的激光器对于需要快速和精准频率控制的应用非常重要。通过将以前的大型技术小型化，研究人员预计会为LiDAR、遥感、微波光子学和AR/VR等用例提供益处。