----翻譯自L(fǎng)isa V. Winkler等人 2024 年發(fā)表的《Chip-integrated extended-cavity mode-locked laser in the visible》

摘要
鎖模激光器在生物成像、非線(xiàn)性頻率轉(zhuǎn)換和單光子生成等應(yīng)用中具有重要意義。在紅外波段，通過(guò)將激光二極管與低損耗光子電路集成，已成功演示了芯片集成鎖模激光器。然而，由于更高的傳輸損耗和更小的對(duì)準(zhǔn)容差等額外挑戰(zhàn)，此類(lèi)激光器在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的實(shí)現(xiàn)一直未能成功。本文中，我們展示了首款利用集成光子電路實(shí)現(xiàn)腔擴(kuò)展的可見(jiàn)光芯片集成鎖模二極管激光器。該激光器基于砷化鎵增益芯片和低損耗氮化硅反饋電路，通過(guò)聚焦離子束銑削實(shí)現(xiàn)的飽和吸收體實(shí)現(xiàn)被動(dòng)鎖模。在中心波長(zhǎng)642nm處，激光器的平均輸出功率為3.4mW，光譜帶寬為1.5nm，重頻為7.84GHz。

1 引言
在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)工作的鎖模激光源的光子芯片集成為各種應(yīng)用帶來(lái)了巨大的潛力，包括用于化學(xué)成像的生物樣品拉曼散射[1]、擴(kuò)展集成光源范圍的片上非線(xiàn)性頻率轉(zhuǎn)換[2]，或單光子發(fā)射器的激發(fā)，為集成光子學(xué)的可擴(kuò)展量子處理做出貢獻(xiàn)[3]。

許多在紅外波段工作的半導(dǎo)體鎖模激光器已被演示，文獻(xiàn)[4]對(duì)其進(jìn)行了概述。然而，可見(jiàn)光光譜范圍內(nèi)僅有一篇關(guān)于集成鎖模二極管激光器的報(bào)道[5]，該激光器利用了沒(méi)有外部反饋的單片InGaN腔。這種單片鎖模半導(dǎo)體激光器通常由于半導(dǎo)體放大器中的高固有損耗而導(dǎo)致相干性有限。此外，短腔長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致高脈沖重復(fù)率。

這些限制可以通過(guò)將半導(dǎo)體激光二極管與包含低損耗集成波導(dǎo)電路的光子芯片集成來(lái)克服。增加腔中的光子壽命會(huì)導(dǎo)致更低的光和射頻（RF）線(xiàn)寬[6,7]，同時(shí)腔長(zhǎng)可以選擇為匹配所需的重復(fù)率。近年來(lái)，這種方法已成功應(yīng)用于紅外激光器，例如文獻(xiàn)[8,9]中所示。然而，可見(jiàn)光范圍內(nèi)尚未有此類(lèi)激光器的演示。這是由于更短的波長(zhǎng)帶來(lái)的額外固有挑戰(zhàn)，特別是由于散射增加導(dǎo)致光子芯片中的傳輸損耗更高、對(duì)準(zhǔn)容差更小，以及缺乏合適的集成飽和吸收體。

在這里，我們展示了首款在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)的混合集成鎖模激光器，為集成鎖模激光器開(kāi)辟了新的光譜窗口。我們的激光器在中心波長(zhǎng)642nm處工作，平均輸出功率為3.2mW，在7.84GHz的重復(fù)頻率下光譜帶寬為1.5nm。

2 設(shè)計(jì)與制造
該激光器由用于光的產(chǎn)生和放大的砷化鎵半導(dǎo)體光放大器（SOA）和用于擴(kuò)展腔長(zhǎng)的反饋波導(dǎo)芯片組成，如圖1所示。反饋芯片固定在底座上，并與輸出光纖和電連接一起封裝。兩個(gè)芯片通過(guò)邊緣耦合形成混合激光器。

圖1：混合集成半導(dǎo)體激光腔的示意圖。左側(cè)黃色部分表示增益芯片，包括半導(dǎo)體光放大器（SOA）和飽和吸收體（SA）部分。右側(cè)灰色部分顯示了無(wú)源反饋芯片的布局，帶有波導(dǎo)螺旋、移相器和可調(diào)耦合器以及作為可調(diào)反射鏡的Sagnac環(huán)，所有波導(dǎo)均以紅色顯示。

反饋芯片包含具有不對(duì)稱(chēng)雙條紋橫截面的氮化硅（Si?N?）波導(dǎo)，如文獻(xiàn)[10]所述，在約642nm的波長(zhǎng)下具有低傳輸損耗（0.32±0.05dB/cm）。波導(dǎo)電路包括一個(gè)集成的薩尼亞克環(huán)反射鏡，作為腔反射鏡之一。該反射鏡通過(guò)向可調(diào)耦合器臂之一的電阻加熱器施加電功率來(lái)提供可調(diào)輸出耦合。另一個(gè)電阻加熱器放置在部分波導(dǎo)頂部，作為移相器，能夠調(diào)諧縱向腔模。波導(dǎo)螺旋提供了腔的無(wú)源擴(kuò)展，延長(zhǎng)了光子壽命。無(wú)源光子集成電路的幾何路徑長(zhǎng)度約為10.8mm，使用計(jì)算出的有效折射率1.51，對(duì)應(yīng)的光學(xué)單程路徑長(zhǎng)度為16.3mm。在芯片的另一側(cè)，橫向錐形結(jié)構(gòu)有助于與SOA的模式匹配。SOA和反饋芯片的波導(dǎo)相對(duì)于刻面成一定角度，以防止導(dǎo)模中的背向反射。

增益芯片（EXALOS AG，中心波長(zhǎng)：642nm）包括一個(gè)0.80mm長(zhǎng)的砷化鎵增益段，后刻面具有高反射涂層（≥95%）。根據(jù)有效折射率3.2，增益芯片為單程光學(xué)腔長(zhǎng)增加了2.6mm。當(dāng)增益芯片與反饋芯片邊緣耦合時(shí)，它們形成一個(gè)混合激光腔，總單程光學(xué)路徑長(zhǎng)度為18.9mm，對(duì)應(yīng)的計(jì)算自由光譜范圍為7.9GHz。在642nm的波長(zhǎng)下，這轉(zhuǎn)化為約10pm的模式間隔和約126ps的往返時(shí)間。

為了實(shí)現(xiàn)激光器的被動(dòng)鎖模，我們使用了飽和吸收體（SA）。對(duì)于半導(dǎo)體激光器，SA可以由與SOA相同的材料制成，SOA工作在正向偏壓下，SA工作在反向偏壓下。SA的反向偏壓縮短了吸收體的恢復(fù)時(shí)間，當(dāng)SA未被脈沖的高強(qiáng)度光飽和時(shí)，允許增加吸收[11,12]。

我們使用市售的增益芯片，其為單個(gè)連續(xù)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)所需的獨(dú)立偏置，我們將增益段分成兩個(gè)電隔離的部分：一個(gè)用作SOA，另一個(gè)用作SA。為了實(shí)現(xiàn)這種分離，我們使用聚焦離子束FIB銑削[13]在增益芯片的頂部電極中創(chuàng)建一個(gè)絕緣間隙，該技術(shù)先前已應(yīng)用于在紅外單片鎖模激光器中實(shí)現(xiàn)SA[14]。這種方法允許使用現(xiàn)成的增益段進(jìn)行快速原型制作。

FIB銑削是一種高精度微加工技術(shù)，涉及將聚焦的離子束入射到導(dǎo)電襯底上。其主要機(jī)制是物理濺射，其中離子束的動(dòng)量將原子從襯底表面置換，從而以高度可控的方式去除材料。這允許亞微米級(jí)的材料去除精度[13]。我們以2.6nA的束流將鎵離子束瞄準(zhǔn)砷化鎵襯底頂部的導(dǎo)電層，以選擇性地僅處理該層，而不處理SOA的脊形波導(dǎo)。掃描電子顯微鏡（SEM）圖像（圖2a）顯示了最終的切割，顯示出了由絕緣間隙分隔的SA和SOA部分。間隙與SA之間邊界的放大SEM圖像（圖2b）提供了間隙的詳細(xì)視圖，顯示間隙中的脊形波導(dǎo)頂部的金（淺色）已被去除（深色）。絕緣間隙的長(zhǎng)度約為20μm，SA長(zhǎng)度大概17.5um。該值處于報(bào)道的最佳鎖模性能的SA長(zhǎng)度相對(duì)于SOA長(zhǎng)度0.8mm的典型2-4%范圍內(nèi)[15,14]。通過(guò)這種方法實(shí)現(xiàn)的電隔離阻值測(cè)量為10kΩ，表明SA與SOA成功分離。

圖2：使用FIB銑削制作的切割的SEM圖像，示出了去除導(dǎo)電頂層的絕緣間隙，將SA（上方）與SOA（下方）分離。（b）SA邊緣的放大SEM圖像，顯示去除了金接觸層和暴露的脊形波導(dǎo)。

3 結(jié)果
為了研究通過(guò)SA啟動(dòng)鎖模，我們?cè)趦煞NSA偏置條件（0V和-2.5V）下對(duì)激光輸出進(jìn)行了光學(xué)和射頻域的表征，這使得能夠清楚地區(qū)分多模和鎖模操作（圖3）。在這些測(cè)量中，輸出耦合比固定為75%，激光泵浦電流固定為最大安全工作電流55mA。對(duì)于兩種SA設(shè)置，我們使用光譜分析儀（OSA，Ando AQ-6315A）記錄光譜，分辨率設(shè)置為0.1nm。由于該分辨率不足以分辨各個(gè)縱向模式，OSA測(cè)量?jī)H指示激光振蕩的縱向模式范圍。為了進(jìn)一步提高分辨率，同時(shí)使用快速光電二極管（Thorlabs DXM12CF，12GHz帶寬）和電譜分析儀（ESA，Keysight CXA信號(hào)分析儀N9000B，26.5GHz帶寬）記錄射頻光譜，分辨率帶寬RBW為3MHz，視頻帶寬VBW為300kHz。

在0V的反向偏壓下，激光器以3.7mW的平均輸出功率工作。光譜（a）顯示出典型的多模輪廓，有幾個(gè)明顯的峰值，中心波長(zhǎng)為642nm。相應(yīng)的射頻光譜（b）在激光腔的自由光譜范圍（FSR）附近顯示出兩個(gè)寬的、不規(guī)則的和不穩(wěn)定的峰值，在-10dB水平處寬度約為1GHz。在FSR的二次諧波附近可見(jiàn)第二組散射峰值。這些光譜特征表明激光腔中存在多個(gè)縱向非等距模式振蕩，表明沒(méi)有鎖模。因此，在沒(méi)有SA反向偏壓的情況下，激光器表現(xiàn)出多模工作。

當(dāng)向SA施加-2.5V的反向偏壓時(shí)，腔內(nèi)損耗增加，平均輸出功率僅略有下降（3.4mW）。然而，激光輸出光譜（c）發(fā)生了顯著變化。光譜現(xiàn)在顯示出加寬的平頂輪廓，沒(méi)有任何特別偏好的波長(zhǎng)，這是鎖模激光器的特征。這種變化表明能量在光譜上的重新分布。光譜在相同的中心波長(zhǎng)642nm處的半高全寬（FWHM）約為1.5nm。測(cè)量的射頻光譜顯示出最顯著的變化。與沒(méi)有SA偏壓的操作相比，射頻光譜現(xiàn)在在腔FSR為7.84GHz處以及二次和三次諧波處顯示出尖銳、強(qiáng)烈的射頻拍頻，幅度比ESA的噪聲基底高60dB。這些尖銳的射頻拍頻是具有等距光頻率的鎖模的明顯標(biāo)志，也稱(chēng)為光學(xué)頻率梳源。在1.5nm的光譜帶寬和642nm處約10pm的模式間隔下，預(yù)計(jì)在該混合激光器的鎖模狀態(tài)下約有150種不同的模式同時(shí)振蕩。

鎖模激光器重復(fù)頻率的被動(dòng)穩(wěn)定性可以通過(guò)記錄激光器射頻光譜的主線(xiàn)形狀分量來(lái)量化。使用300Hz的RBW記錄的基頻拍頻的Voigt擬合得出射頻線(xiàn)寬為40kHz（FWHM），其中洛倫茲分量為11kHz，高斯分量為33kHz。這種低線(xiàn)寬比重復(fù)頻率小約五個(gè)數(shù)量級(jí)，表明鎖模穩(wěn)定，與其他擴(kuò)展到類(lèi)似腔長(zhǎng)的鎖模激光器（通常在1550nm處工作）相當(dāng)[4,16,8]。

為了研究在其他工作參數(shù)下是否也能實(shí)現(xiàn)鎖模，我們測(cè)量了激光平均輸出功率隨泵浦電流的變化，針對(duì)SA部分施加的三種不同反向偏壓值（圖4a）：0V、-2V和-3V。同時(shí)，使用快速光電二極管和ESA記錄射頻光譜。根據(jù)泵浦電流和SA偏壓，射頻光譜顯示三種不同的工作狀態(tài)，典型示例如圖4b所示：?jiǎn)文Ｕ袷帲蔁o(wú)射頻峰值表示（黃色跡線(xiàn)），多模振蕩，由射頻信號(hào)中的寬而不穩(wěn)定的峰值表示（綠色跡線(xiàn)），以及鎖模操作，由尖銳和穩(wěn)定的射頻拍頻表示（紅色跡線(xiàn)）。對(duì)于0V的偏壓，我們觀察到在26mA的泵浦電流下閾值最低，斜率效率為141±2mW/A。隨著反向偏壓的增加，由于SA中的吸收增加，閾值升高。當(dāng)泵浦電流略高于閾值時(shí)，激光器始終發(fā)射單縱模，如黃色數(shù)據(jù)符號(hào)所示。在約35至40mA的稍高泵浦電流下，激光器進(jìn)入多模工作狀態(tài)，如綠色符號(hào)所示。

對(duì)于0V和-2V的反向偏壓，激光器在高達(dá)55mA的最大適用泵浦電流下表現(xiàn)出多模工作。然而，對(duì)于-3V的反向偏壓，激光器在44mA的泵浦電流下進(jìn)入鎖模狀態(tài)，其特征是尖銳的射頻拍頻，如紅色符號(hào)所示。鎖模狀態(tài)在49mA的泵浦電流下丟失，并變回多模。在50mA時(shí)，激光器進(jìn)入穩(wěn)定的鎖模狀態(tài)，該狀態(tài)維持到最大研究泵浦電流55mA。由此我們得出結(jié)論，對(duì)于-3V的反向偏壓，SA和SOA的飽和水平和恢復(fù)時(shí)間相互平衡，導(dǎo)致在寬范圍的泵浦電流下穩(wěn)定鎖模。在該鎖模狀態(tài)下，激光器在55mA泵浦電流下的最大平均輸出功率約為3.2mW，由于SA吸收增加，略低于在-2.5V下測(cè)量的平均輸出功率。

圖3：（a）在55mA泵浦電流下，未對(duì)SA施加偏壓的混合激光器多模工作的光譜。（b）多模工作時(shí)激光器的相應(yīng)射頻光譜。（c）在-2.5V反向偏壓下鎖模狀態(tài)下的激光器光譜，顯示1.5nm寬的光譜，類(lèi)似于頻率梳。（d）鎖模激光器的相應(yīng)射頻光譜，顯示在腔FSR的整數(shù)倍處的強(qiáng)而尖銳的射頻拍頻。

圖4：（a）混合激光器的光輸出功率隨SOA泵浦電流的變化，針對(duì)不同的反向偏壓。（b）激光器不同工作狀態(tài)的典型觀察射頻光譜。無(wú)射頻峰值表示單模，寬不穩(wěn)定峰值表示多模，尖銳強(qiáng)峰值表示鎖模操作。

4 結(jié)論
總之，我們展示了首款在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)工作的混合集成鎖模半導(dǎo)體激光器。這是通過(guò)將市售半導(dǎo)體激光二極管與低損耗Si?N?集成光子反饋電路混合集成實(shí)現(xiàn)的。使用FIB銑削將SOA部分的電隔離部分用作SA是一種通用方法，可用于探索寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)的鎖模。作為下一步，具有優(yōu)化SA和SOA參數(shù)的增益芯片也可以通過(guò)光刻制造。隨著從近紫外到近紅外的寬可見(jiàn)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的二極管放大器的現(xiàn)成可用性，以及Si?N?光子電路平臺(tái)的不斷成熟，實(shí)現(xiàn)適用于寬可見(jiàn)波長(zhǎng)范圍的芯片集成超快器件似乎是可行的，如最近對(duì)連續(xù)光源的演示[17]。借助光子集成平臺(tái)和現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)提供的可擴(kuò)展性，可見(jiàn)光波長(zhǎng)混合集成鎖模半導(dǎo)體激光器有望在便攜式生物成像[18]、光通信[19]和便攜式原子鐘[20,21]等應(yīng)用中做出貢獻(xiàn)。

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審核編輯 黃宇