Nature Photonics | 掺钛蓝宝石激光器的光子集成技术

研究背景

     集成电路是所有现代电器(如手机、电脑、电视、冰箱等)的核心部件。具体来说，集成电路是把一定数量的常用电子元件，如芯片、电阻、电容、晶体管等，以及这些元件之间的连线，通过半导体工艺集成在一块特制基板上的具有特定功能的电路。随便拆开一个电子产品都能看到集成电路的身影。与之对应的，光学研究领域中把各种光学元件、光波导和光电器件等集成在一起，以便于实现光学设备或仪器的小型化便携化的技术叫做光子集成。光子集成技术在所有光学应用领域都有着极为重要的作用。

     在光子集成研究领域中，特种光源的集成技术是研究重点之一。美国耶鲁大学电气工程系的Hong X. Tang等人提出了一种掺钛蓝宝石(Ti:Sapphire，简称Ti:Sa)激光器的光子集成技术，实现了730nm到830nm波段内6.5mW的激光发射。相关成果以Photonic-circuit-integrated titanium:sapphire laser为题发表在Nature Photonics上。

论文导读

      作为激光工作物质，Ti:Sa的增益范围涵盖了650nm~1100nm的红光和近红外光谱范围。因而用Ti:Sa制作的窄线宽激光器在原子钟、集成量子光子学、光谱学、可见光通信、激光雷达、增强现实和生物医学等研究领域有着极为广泛的应用和重要的意义。目前商用的Ti:Sa激光器通常采用532nm激光泵浦Ti:Sa晶体，配合谐振腔等光学元件来实现(如图1a所示)，普遍体积较大、激光发射的阈值相对较高。如何将其小型化集成化是光子集成领域的热点之一。

技术突破

      激光发射的阈值是激光器的重要参数。对于Ti:Sa激光器而言，其阈值与模态约束程度成反比。对于常见的台式固体激光器来说，提高模态约束的常用方法有热扩散法、脊形脉冲激光沉积法、激光直写波导法等，阈值可以做到接近100mW。对于光子集成来说，所用Ti:Sa晶体尺寸很小，对激光的模态约束较大，会产生更强的主动介质模态激励，从而自然地降低激光阈值。

      该文所述光子集成后的激光器如图1b所示，使用蓝宝石晶圆作为基底(m面切割以便于侧面耦合)，利用低压化学气相沉积在其上制作氮化硅(SiN)薄膜，采用掩膜版和蚀刻工艺制作波导。蓝宝石基底和SiN薄膜的结合解决了折射率对比度低的问题，再加上具有密集模式约束的波导设计，有利于更好地降低激光发射阈值。Ti:Sa激光器中集成了作为泵浦源的InGaN激光二极管、作为工作物质的Ti:Sa晶体、一个波导微环谐振腔和一套外部反馈光路。微环谐振腔的半径为200微米，波导宽度2微米，为泵浦和激光提供增益。外部反馈光路由分布式布拉格反射器(distributed Bragg reflectors, DBRs)、主动调谐微环谐振器和集成式光电探测电器(integrated photodetectors, PDs)组成。

      该文成果与现有Ti:Sa激光平台的横向对比见图2a和b。图2c展示了在780nm处计算出来的台式固体激光器和光子集成激光器的增益随腔内泵浦功率变化的曲线。由实验数据可以看出，光子集成激光器的增益大约比台式固体激光器高一个数量级，且泵浦功率越低倍数越高。对于常见的台式Ti:Sa固体激光器来说，一般腔内泵浦功率要达到300mW以上才能有0.2dB/cm的增益；与此相对的，光子集成Ti:Sa激光器只需要十几毫瓦的腔内泵浦功率就能有0.4dB/cm的增益。光子集成激光器的阈值之所以能降低到如此地步的另一个原因在于：微环谐振腔的设计使得泵浦模式处于谐振状态，变相增强了腔内泵浦。本文采用参数FOM作为结构优化过程中阈值最小化和输出功率最大化的关键参数。FOM可用以下公式来表述：

      其中，200μm²是Ti:Sa自由空间激光器的最小模区面积，γ_p是泵浦模限制因子，Γ_sp是泵浦信号的重叠因子，A_mode是泵浦模区。FOM体现了光子集成Ti:Sa激光器在几何尺寸方面与商用Ti:Sa固体激光器相比的优势。优化最好的Ti:Sa固体激光器的FOM值为1，常见商用Ti:Sa固体激光器的FOM值为0.2，而光子集成Ti:Sa激光器的FOM理论值为100，是商用产品的500倍。图2d展示的是经过系统优化后，光子集成Ti:Sa激光器的FOM值随SiN薄膜波导的厚度变化的曲线，当膜厚为100nm时得到了最大的FOM值90。

      光子集成Ti:Sa激光器的工作原理如图3所示。微环谐振腔具有泵浦和信号两个独立但又相互耦合(钛离子振动耦合)的腔体。当微环谐振腔中的光模发生粒子数反转时，实现激光输出。Ti:Sa激光器的泵浦涵盖了蓝光到绿光波段，输出则涵盖了红光到近红外波段，再加上谐振腔内对泵浦模的吸收很强，因此光路的耦合是一个关键问题。该文使用了双波导耦合设计来满足以下两方面的需求：(1)用一个滑轮式耦合器来保证泵浦模和微环谐振模式之间的相位匹配；(2)用一个点式耦合器在不扰动泵浦模的前提下提取激光的输出模。薄膜波导的宽度设计得足够窄(1.12微米)，一方面避免激光的输出模的逆向耦合，另一方面也保证了激光的单模输出。这样的设计也导致该激光器不支持832nm以上波长的近红外输出。

      图4展示了几种不同的微环谐振腔设计对激光输出模式和波长的影响。图4a-c展示的是目前现有的片上Ti:Sa激光器常采用的单微环结构，输出多个不同波长的多模激光。图4d-f展示的是该文作者设计的双微环结构，其中一个是激光器的环形腔(半径200微米)，另一个提供谐振反馈(半径180微米)。只有能使两环共振的模式才能实现激光出射，从而达到单模输出的目的。这一设计的边模抑制比为15dB，如图4f所示。在此基础上该文利用DBRs(长度1mm)的窄带反射向谐振腔内注入“激光种子”，以实现激光器的波长选择功能，如图4g-i所示。激光器的输出波长λ由DBR的栅距∧决定(λ=2n_eff∧)。

      商用Ti:Sa激光器的激光阈值较高，需要的泵浦功率也比较大，因此多使用台式固体激光器或半导体激光器作为泵浦源。该文所设计的光子集成激光器阈值低，因此可以直接用集成式InGaN激光二极管做泵浦源。InGaN激光二极管的输出光谱涵盖紫外到绿光波段，正好与Ti:Sa晶体的增益曲线相匹配。激光二极管和光子集成激光器的耦合原理和输出光谱如图5所示。

观点评述

      该文介绍了一种Ti:Sa激光器的光子集成方法，利用辅助微环控制主体微环谐振腔实现单模输出；采用分布式布拉格光栅提供反馈，选择窄带的输出波长；通过使用蓝宝石衬底和SiN薄膜波导，结合紧密模式约束的结构设计将激光阈值降低到了毫瓦级。文中指出如果进一步优化波导设计、降低损耗、减小光模尺寸并使用高掺杂的Ti:Sa晶体，还有进一步降低激光阈值的可能性；通过优化谐振腔的几何形状和增强光离子重叠可以进一步提高工作效率。光纤布拉格光栅的温度特性使得该激光器的输出波长具有一定的调谐能力。该文所提出的思路对其它波导介质(如铌酸锂、氮化铝、钽等)以及其他固态增益介质(如红宝石和氟化物晶体等)的光子集成有着很好的借鉴作用，对芯片式激光器的发展有着很好的推动作用。

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