Nature photonics：9平方毫米的芯片级高能无源调Q激光器

研究背景

      光子集成(Photonic Integrated Circui，PIC)指的是顺应现代信息化社会对仪器、设备、元器件的小型化、微型化、集成化和便携化的要求而发展起来的一个热门研究领域。具体来说是将各种光学器件或者光电器件(如：LED、激光器、电光调制器、光波导、光复用/解复用器、光放大器、光电探测器等)集成到一个基板上，构成一个整体且实现某种功能(如光谱分析、激光发射等)。这一概念源自于信息化社会的基石：集成电路(Integrated Circuit, IC)。

      芯片化是当前光子集成研究的目标之一。光子芯片通常以一小块半导体晶片或介质基片为衬底，依托于集成光学或硅基光电子学中的介质光波导来传输导模光信号，将光信号和电信号的调制、传输、解调等功能部件封装在一个管壳内，成为具有所需光学或光电功能的微型结构单体。与IC芯片相比，光子芯片具有更低的传输损耗 、更大的传输带宽、更小的时间延迟、以及更强的抗电磁干扰能力。

论文导读

      从激光输出的连续性来看，激光器可以分为连续激光器和脉冲激光器两种。连续激光器就像常见的照明灯具那样，开机后会不断地输出激光。脉冲激光器则像相机的闪光灯那样，以“频闪”的方式间歇性地输出激光。相对而言，脉冲激光器将光能量集中在很短的时间内(如几个纳秒)输出，因此在同等条件下瞬时功率远高于连续激光器，且对目标的“加工”时长更加精确可控。这使其在生物医疗、材料加工、光通信等领域有着很广泛的应用。

      针对现代信息化社会对激光器微型化的需求，德国电子同步加速器研究所(DESY)自由电子激光科学中心的Neetesh Singh等人联合德国基尔大学、荷兰特温特大学、芬兰埃斯波阿尔托大学和加拿大马斯特大学研制了一种仅有约9mm²大小的芯片级硅基被动调Q激光器。相关成果以Silicon photonics-based high-energy passively Q-switched laser为题发表在Nature photonics上。

主要研究内容

      激光器的脉冲式输出通常是采用调Q和锁模技术来实现的。调Q技术采用电光、声光等方式来控制谐振腔内的损耗进而调整Q值。在储能阶段，提高损耗降低Q值以保证在泵浦源充能的过程中没有激光输出，使激光工作物质中存储尽可能多的能量；在输出阶段，快速调高Q值并维持一个极短的时间将累积的能量集中释放以获得高瞬时功率的短脉冲激光输出。锁模技术则在谐振腔中不同模式之间引入固定的相位关系，使其产生模间干涉从而得到皮秒甚至飞秒级别的脉冲输出。目前，激光的高功率脉冲输出技术已经较为成熟，激光手术刀、激光切割等已成为常见事物。但要将其集成到一个边长仅毫米级的芯片上时，却因受空间限制而困难重重。该文针对光子集成中的光放大和调Q展开研究，实现了芯片级高功率脉冲激光输出。

技术突破

      该文研制的激光器是用光刻、蚀刻、射频反应溅射镀膜和等离子增强型化学气相淀积(PECVD)技术在100mm晶圆上制造的。如图1b所示，该激光器由增益(图1b中绿色区域)、腔镜(三个环形反射镜)以及饱和吸收器(NLI-SA)三个部分组成。增益部分的光学结构由硅衬底、底部二氧化硅层、氮化硅波导、顶部二氧化硅层、掺铥氧化铝膜和二氧化硅包层组成。其中的大模面积(LMA)氮化硅波导与掺铥氧化铝膜之间的二氧化硅层被蚀刻加工为300nm(图1b左上小插图中的g)以便于提高波导和增益介质之间的耦合效率，实现受激辐射光放大。饱和吸收器的主体是一个非线性迈克尔逊干涉仪(调Q原理详见该文参考文献30)。两条干涉臂上的加热器是用光刻和金属沉积制造的(钛和金)，用电流控制温度以便于通过热胀冷缩调整干涉臂的尺寸来补偿干涉臂的制造误差进而优化饱和吸收器的性能。

      泵浦光(pump)进入芯片后经波分复用(WDM)耦合进入增益部分实现对增益介质掺铥氧化铝膜的充能。增益介质发出的光在氮化硅波导中传播并通过一个非3dB耦合器以不同的功率(80:20)进入NLI-SA中对称的两个非线性波导。光在两路波导中传播时产生由功率决定的克尔相移实现相位差的引入，然后被波导末端的环形反射镜送回耦合器处叠加并干涉。此时的耦合器起到传统谐振腔中半透半反腔镜的作用：一方面将部分干涉光作为脉冲激光输出，同时将另一部分光传回增益部分，继续引发受激辐射光放大。放大后的回程光离开增益部分后经由WDM末端的环形反射镜再次经WDM进入增益部分，接着是饱和吸收器，再被环形反射镜送回从而形成谐振回路。

      作者选用波长为1.61μm的连续激光器结合高功率保偏放大器组成泵浦源。泵浦光经过半波片、四分之一波片、99:1光纤分路器和透镜光纤耦合到芯片中。其中光纤分路器的1%端口用于泵浦源工作状态监测。低功率泵浦时，芯片输出连续激光；随着泵浦功率的增加，固有的驰豫振荡随之增加。经实验测定，激光器阈值泵浦功率约为20mW(图2b)，斜率效率为40%，输出中心波长1.89μm(图2a)，重复频率<1MHz，脉宽250ns，单脉冲能量超过150nJ。

观点评述

      该文针对热门研究领域光子集成中的芯片式激光器展开研究，研制出了一款高功率脉冲激光芯片。该硅基激光芯片使用掺铥氧化铝膜作为增益介质，采用大模面积波导提高信号功率，通过带有圆形弯曲的蛇形增益波导布局有效增加了谐振腔的总往返长度(16.7cm)，利用基于非线性迈克尔逊干涉仪的饱和吸收器实现了片上被动调Q。在增益波导设计上采用了绝热拉锥结构，一方面波导的狭窄部分减少了散射损耗，另一方面有利于波导中的基模传输提高弯曲布局密度增加谐振腔长度。针对干涉臂的加工精度问题提出了利用加热器补偿的解决方案，有效优化了芯片的输出性能。整体设计思路和实现过程有较高的科研价值。

      该芯片级激光器的性能与台式光纤激光器相当，且尺寸小重量轻。波长2μm左右的高功率脉冲激光输出用途广泛。以医疗领域为例，因为水在1.94μm处有一个吸收峰，用该波段激光做手术可以在快速凝血的同时减小对周边组织的损伤。目前常用的激光手术设备为掺铥光纤激光器，脉宽通常为几个微秒，重复频率数百赫兹，而且需要用多模光纤将激光引导至手术位置，传输过程会对光束质量和强度产生不利影响。与之相比，该文所研制的芯片级激光器的脉宽达到了亚微秒，重复频率也接近1MHz，尺寸重量使其可以加装在手术器械上直接利用输出激光进行手术以保证光束质量，从而提高治疗效果。综合来看，该文成果在医疗、非金属材料加工、光通信、航空航天领域具有广泛的应用前景。

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