----翻譯自Lisa 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、非線性頻率轉換和單光子生成等應用中具有重要意義。在紅外波段，通過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準容差等額外挑戰(zhàn)，此類激光器在可見光范圍內的實現(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現(xiàn)腔擴展的可見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，通過聚焦離子束銑削實現(xiàn)的飽和吸收體實現(xiàn)被動鎖模。在中心波長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
在可見光譜范圍內工作的鎖模激光源的光子芯片集成為各種應用帶來了巨大的潛力，包括用于化學成像的生物樣品拉曼散射[1]、擴展集成光源范圍的片上非線性頻率轉換[2]，或單光子發(fā)射器的激發(fā)，為集成光子學的可擴展量子處理做出貢獻[3]。

許多在紅外波段工作的半導體鎖模激光器已被演示，文獻[4]對其進行了概述。然而，可見光光譜范圍內僅有一篇關于集成鎖模二極管激光器的報道[5]，該激光器利用了沒有外部反饋的單片InGaN腔。這種單片鎖模半導體激光器通常由于半導體放大器中的高固有損耗而導致相干性有限。此外，短腔長會導致高脈沖重復率。

這些限制可以通過將半導體激光二極管與包含低損耗集成波導電路的光子芯片集成來克服。增加腔中的光子壽命會導致更低的光和射頻（RF）線寬[6,7]，同時腔長可以選擇為匹配所需的重復率。近年來，這種方法已成功應用于紅外激光器，例如文獻[8,9]中所示。然而，可見光范圍內尚未有此類激光器的演示。這是由于更短的波長帶來的額外固有挑戰(zhàn)，特別是由于散射增加導致光子芯片中的傳輸損耗更高、對準容差更小，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光譜范圍內的混合集成鎖模激光器，為集成鎖模激光器開辟了新的光譜窗口。我們的激光器在中心波長642nm處工作，平均輸出功率為3.2mW，在7.84GHz的重復頻率下光譜帶寬為1.5nm。

2 設計與制造
該激光器由用于光的產(chǎn)生和放大的砷化鎵半導體光放大器（SOA）和用于擴展腔長的反饋波導芯片組成，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。兩個芯片通過邊緣耦合形成混合激光器。

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

反饋芯片包含具有不對稱雙條紋橫截面的氮化硅（Si?N?）波導，如文獻[10]所述，在約642nm的波長下具有低傳輸損耗（0.32±0.05dB/cm）。波導電路包括一個集成的薩尼亞克環(huán)反射鏡，作為腔反射鏡之一。該反射鏡通過向可調耦合器臂之一的電阻加熱器施加電功率來提供可調輸出耦合。另一個電阻加熱器放置在部分波導頂部，作為移相器，能夠調諧縱向腔模。波導螺旋提供了腔的無源擴展，延長了光子壽命。無源光子集成電路的幾何路徑長度約為10.8mm，使用計算出的有效折射率1.51，對應的光學單程路徑長度為16.3mm。在芯片的另一側，橫向錐形結構有助于與SOA的模式匹配。SOA和反饋芯片的波導相對于刻面成一定角度，以防止導模中的背向反射。

增益芯片（EXALOS AG，中心波長：642nm）包括一個0.80mm長的砷化鎵增益段，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腔長增加了2.6mm。當增益芯片與反饋芯片邊緣耦合時，它們形成一個混合激光腔，總單程光學路徑長度為18.9mm，對應的計算自由光譜范圍為7.9GHz。在642nm的波長下，這轉化為約10pm的模式間隔和約126ps的往返時間。

為了實現(xiàn)激光器的被動鎖模，我們使用了飽和吸收體（SA）。對于半導體激光器，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時間，當SA未被脈沖的高強度光飽和時，允許增加吸收[11,12]。

我們使用市售的增益芯片，其為單個連續(xù)波導結構。為了實現(xiàn)所需的獨立偏置，我們將增益段分成兩個電隔離的部分：一個用作SOA，另一個用作SA。為了實現(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)建一個絕緣間隙，該技術先前已應用于在紅外單片鎖模激光器中實現(xiàn)SA[14]。這種方法允許使用現(xiàn)成的增益段進行快速原型制作。

FIB銑削是一種高精度微加工技術，涉及將聚焦的離子束入射到導電襯底上。其主要機制是物理濺射，其中離子束的動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。這允許亞微米級的材料去除精度[13]。我們以2.6nA的束流將鎵離子束瞄準砷化鎵襯底頂部的導電層，以選擇性地僅處理該層，而不處理SOA的脊形波導。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）提供了間隙的詳細視圖，顯示間隙中的脊形波導頂部的金（淺色）已被去除（深色）。絕緣間隙的長度約為20μm，SA長度大概17.5um。該值處于報道的最佳鎖模性能的SA長度相對于SOA長度0.8mm的典型2-4%范圍內[15,14]。通過這種方法實現(xiàn)的電隔離阻值測量為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。

3 結果
為了研究通過SA啟動鎖模，我們在兩種SA偏置條件（0V和-2.5V）下對激光輸出進行了光學和射頻域的表征，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。對于兩種SA設置，我們使用光譜分析儀（OSA，Ando AQ-6315A）記錄光譜，分辨率設置為0.1nm。由于該分辨率不足以分辨各個縱向模式，OSA測量僅指示激光振蕩的縱向模式范圍。為了進一步提高分辨率，同時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，有幾個明顯的峰值，中心波長為642nm。相應的射頻光譜（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第二組散射峰值。這些光譜特征表明激光腔中存在多個縱向非等距模式振蕩，表明沒有鎖模。因此，在沒有SA反向偏壓的情況下，激光器表現(xiàn)出多模工作。

當向SA施加-2.5V的反向偏壓時，腔內損耗增加，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，沒有任何特別偏好的波長，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642nm處的半高全寬（FWHM）約為1.5nm。測量的射頻光譜顯示出最顯著的變化。與沒有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志，也稱為光學頻率梳源。在1.5nm的光譜帶寬和642nm處約10pm的模式間隔下，預計在該混合激光器的鎖模狀態(tài)下約有150種不同的模式同時振蕩。

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

為了研究在其他工作參數(shù)下是否也能實現(xiàn)鎖模，我們測量了激光平均輸出功率隨泵浦電流的變化，針對SA部分施加的三種不同反向偏壓值（圖4a）：0V、-2V和-3V。同時，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：單模振蕩，由無射頻峰值表示（黃色跡線），多模振蕩，由射頻信號中的寬而不穩(wěn)定的峰值表示（綠色跡線），以及鎖模操作，由尖銳和穩(wěn)定的射頻拍頻表示（紅色跡線）。對于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。當泵浦電流略高于閾值時，激光器始終發(fā)射單縱模，如黃色數(shù)據(jù)符號所示。在約35至40mA的稍高泵浦電流下，激光器進入多模工作狀態(tài)，如綠色符號所示。

對于0V和-2V的反向偏壓，激光器在高達55mA的最大適用泵浦電流下表現(xiàn)出多模工作。然而，對于-3V的反向偏壓，激光器在44mA的泵浦電流下進入鎖模狀態(tài)，其特征是尖銳的射頻拍頻，如紅色符號所示。鎖模狀態(tài)在49mA的泵浦電流下丟失，并變回多模。在50mA時，激光器進入穩(wěn)定的鎖模狀態(tài)，該狀態(tài)維持到最大研究泵浦電流55mA。由此我們得出結論，對于-3V的反向偏壓，SA和SOA的飽和水平和恢復時間相互平衡，導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下測量的平均輸出功率。

圖3：（a）在55mA泵浦電流下，未對SA施加偏壓的混合激光器多模工作的光譜。（b）多模工作時激光器的相應射頻光譜。（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，類似于頻率梳。（d）鎖模激光器的相應射頻光譜，顯示在腔FSR的整數(shù)倍處的強而尖銳的射頻拍頻。

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。無射頻峰值表示單模，寬不穩(wěn)定峰值表示多模，尖銳強峰值表示鎖模操作。

4 結論
總之，我們展示了首款在可見光譜范圍內工作的混合集成鎖模半導體激光器。這是通過將市售半導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，可用于探索寬波長范圍內的鎖模。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光刻制造。隨著從近紫外到近紅外的寬可見波長范圍內的二極管放大器的現(xiàn)成可用性，以及Si?N?光子電路平臺的不斷成熟，實現(xiàn)適用于寬可見波長范圍的芯片集成超快器件似乎是可行的，如最近對連續(xù)光源的演示[17]。借助光子集成平臺和現(xiàn)代半導體技術提供的可擴展性，可見光波長混合集成鎖模半導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]等應用中做出貢獻。

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審核編輯 黃宇