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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《Nature Photonics》上。
图1:基于SiN-on-sapphire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780 nm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PIC Ti: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(0.4 dB cm-1)的非均匀集成微环激光器的预测理论阈值显示了<1 mW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0.8 M。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735 nm、790 nm和814 nm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0.5±0.1 mW。左上角的插图是6.5±0.4 mW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。
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。
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。
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LPCVD SiN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120 kHz。
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