Nature子刊耶鲁大学开发出首个芯片级掺钛蓝宝石激光器

　　长三角G60激光联盟导读
　　据悉，美国耶鲁大学Tang实验室开发首个芯片级掺钛蓝宝石激光器，相关研究成果发表在《NaturePhotonics》上。
　　自1982年掺钛蓝宝石（Ti：Sa）激光器发明以来，Ti：Sa激光器已经在基础物理学，化学光谱学和生物学研究中获得了大量应用。成功的关键是作为增益介质的材料也就是说，放大激光能量的材料。掺杂钛离子的蓝宝石被证明是特别强大的，能提供比传统半导体激光器更宽的激光发射带宽。然而，商用Ti：Sa激光器是由体积庞大的自由空间组件构成的，需要一系列精心设计的过程，例如二极管泵浦固体激发激光器、Ti：Sa蝴蝶结激光器腔和参考锁定腔（图1a）。Ti：Sa晶体的激发态寿命较短（3。2s）、荧光离子浓度较低（1）以及晶体生长过程中产生的近红外残留吸收，使得Ti：Sa激光阈值相对较高且价格昂贵。
　　Tang实验室研究人员开发了首个芯片级的掺钛蓝宝石（Ti：Sa）激光器，这一突破，应用范围可从原子钟到量子计算和光谱传感器。该激光器将Ti：Sa增益介质与硅氮化蓝宝石集成光子平台相结合，具有高便携性和最低功耗优异性能。
　　图1：基于SiNonsapphire光子平台的芯片集成Ti：Sa激光系统。a，商用自由空间Ti：Sa激光器原理图。整个激光系统由二极管泵浦固体激光器、Ti：Sa蝴蝶结腔和用于锁定的参考腔组成。插图是Ti：Sa晶体的发射光谱。b，集成芯片Ti：Sa激光系统概念图，由InGaN泵浦激光二极管组成；负载Ti：Sa增益的SiN波导；以及一个外部反馈电路，包括分布式布拉格反射器（DBR）、主动调谐微环谐振器和集成光电探测器（PD）。本文演示了Ti：Sa激光腔、外置DBR腔和二极管泵浦激光，其他部分用灰色显示。c，片上Ti：Sa发射光谱，峰值对应微环谐振腔模式。插图更详细地显示了780nm左右的发射光谱。
　　图2：集成Ti：Sa激光器的超低阈值光子电路。a，最先进的Ti：Sa平台的模式轮廓、有效模式面积和激光阈值的比较：自由空间腔（尺寸非比例，典型腔尺寸为50厘米），岭波导Ti：Sa激光器，Ti：Sa微光纤，WGM谐振器Ti：Sa激光器和PICTi：Sa微环激光器。b，取自a的激光阈值和相应的模式面积图，说明了基于PIC的Ti：Sa激光器的优点。采用最佳模式面积和研究人员的实验波导损耗（0。4dBcm1）的非均匀集成微环激光器的预测理论阈值显示了1mW的泵浦路径。c，集成自由空间Ti：Sa激光器的模拟光学增益随腔内泵浦功率的变化。d，不同SiN波导厚度的几何性能图的缩放。
　　图3：集成Ti：Sa激光器工作原理及测量结果。a，具有强光子离子相互作用的集成Ti：Sa微环系统产生的Ti：Sa激光。单SiN微环被理想化为两个独立的腔，它们通过钛离子耦合。左图是测量到的泵浦波长附近共振的透射谱，精细度为31。3，而右图是测量到的激光波长下光模式的透射谱，固有Q为150万（M），负载Q为0。8M。b，共振中微环谐振器的光学显微镜图像。c，共振中微环谐振器的长通滤波光学显微镜图像，通过改变芯片温度将泵调至共振状态。d，Ti：Sa激光光谱以735nm、790nm和814nm为中心，分别使用D1、D2和D3三种不同器件。e，Ti：Sa激光器在连续波光驱动作用下的连续波双光曲线。片上激光器可提供最大功率0。50。1mW。左上角的插图是6。50。4mW阈值器件的双光曲线细节，而右下角的插图是集成光子电路Ti：Sa激光器的照片。
　　在基于PIC的Ti：Sa激光器中，典型的单环激光光谱为多模，如图4所示，当增益大于腔损耗时就会发生激光。这是由于缺乏外部反馈和带宽Ti：Sa增益谱；而集成光子电路Ti：Sa激光器可以通过增加外部反馈实现单模发射。
　　图4：用于单模激光和波长选择的外部反馈光子电路。a、单微环装置原理图。b，单个微环装置虚拟彩色SEM图像。c，具有单环几何结构的典型激光光谱。在增益介质的大跨度内，会出现多个激光峰。d，锁定在辅助环上的利用自注入的单模发射（非按比例）示意图。由于辅助环内的表面Rayleigh散射，循环光产生后向散射，反射回激光腔并触发自注入锁定。连续波，顺时针方向旋转；CCW，逆时针旋转。e，耦合环形激光器的虚拟彩色扫描电镜图像。f，通过注入锁定发射的单模激光光谱。g，说明外部反射器反馈对激光模式选择影响的示意图。信号在DBR的中心波长被反射回激光腔。h，制备波导DBR虚拟彩色SEM图像。i，DBR中心波长的激光光谱。
　　台式钛蓝宝石激光器是许多学术和工业实验室的必备设备。然而，这种激光器的大带宽是以相对较高的阈值为代价的，也就是说，它需要大量的功率。因此，这些激光器价格昂贵，占用大量空间，在很大程度上限制了它们在实验室研究中的使用。钛蓝宝石激光器的性能与芯片的小尺寸相结合，可以推动那些受功耗或空间限制的应用，比如原子钟、便携式传感器、可见光通信设备，甚至量子计算芯片。
　　由于研究人员的PICTi：Sa激光器具有更低的阈值，因此可以通过市售的InGaN激光二极管直接泵浦。二极管泵浦方案的工作原理如图5的顶部插图所示。
　　图5：二极管泵浦Ti：Sa激光器。在不同泵浦水平下测量的发射光谱，由自发发射转变为激光发射。顶部插图是InGaN二极管泵浦Ti：Sa激光器的原理图，而底部插图是带有集成光谱仪信号的双光曲线。
　　研究人员展示了Ti：Sa增益介质在PIC上的集成。通过使用微环谐振器，研究人员实现了在泵浦和激光波长上的紧密模式限制和同步共振，提供了创纪录的低激光阈值到毫瓦级。通过添加外部微环和波导DBR反馈，设计实现了波长处的单模激光。利用商业上可用的FabryProtInGaN激光二极管作为泵浦。进一步降低激光阈值可以通过减小波导损耗、减小光学模式尺寸以及使用具有更高Ti3离子浓度的衬底扩散Ti：Sa增益介质来实现。
　　扩展数据图1：器件制造。a。优化后的集成Ti：Sa激光工艺的光子电路工艺流程，包括LPCVDSiN沉积、波导蚀刻、Ti：Sa晶体键合和SiON包层沉积。b。描述光子波导的制造设备的光学图像。
　　扩展数据图2：激光线宽测量。a。集成Ti：Sa激光器的光子电路光学装置示意图。使用商用Ti：Sa激光（M2laser）的外差测量可使用快速光电探测器（PD）和电信号分析仪（ESA）测量激光线宽。b。片上Ti：Sa激光器与参考激光器之间的外差跳动信号，全波半波最大值为120kHz。
　　总之，Tang实验室展示了世界上第一个集成了芯片级光子电路的掺钛蓝宝石激光器，它提供了迄今为止在芯片上见过的最宽的增益光谱，为众多新应用铺平了道路。关键在于激光的低阈值。传统的掺钛蓝宝石激光器的阈值超过100毫瓦，而Tang实验室的系统的阈值约为6。5毫瓦。通过进一步的调整，他们相信可以进一步将功率降低到1毫瓦。他们开发的系统还兼容氮化镓光电子器件家族，氮化镓光电子器件广泛用于蓝色LED和激光器。
　　文章来源：
　　https：www。nature。comarticless41566022011442
　　https：news。yale。edu
　　长三角G激光联盟陈长军转载