半導(dǎo)體激光器因其緊湊的尺寸、靈活的操作性以及極寬的光譜覆蓋范圍，一直被視為潛力的光頻梳光源。特別是具有皮秒級(jí)超快增益恢復(fù)時(shí)間的量子級(jí)聯(lián)激光器，能夠在純直流偏置下實(shí)現(xiàn)自鎖模，從而產(chǎn)生頻率調(diào)制光梳。

       與傳統(tǒng)法布里-珀羅腔不同，環(huán)形腔結(jié)構(gòu)支持光波的單向傳輸，這種特性能夠有效避免因空間燒孔效應(yīng)引發(fā)的增益競(jìng)爭(zhēng)和單模失穩(wěn)問題。然而，為了保證單向激射的穩(wěn)定性，以往多數(shù)環(huán)形QCL極度依賴波導(dǎo)彎曲損耗來進(jìn)行光輸出耦合。這種設(shè)計(jì)盡管其腔內(nèi)循環(huán)的功率可能高達(dá)數(shù)百毫瓦，但實(shí)際可用的端面輸出功率往往被嚴(yán)格限制在亞毫瓦級(jí)別。如何在高功率運(yùn)行下保持單向性以及對(duì)發(fā)射方向進(jìn)行靈活控制成為了研究人員面臨的重大挑戰(zhàn)。

圖1 跑道型激光器的性能表征

       為了打破這一局限，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地引入了帶有定向波導(dǎo)耦合器的跑道型諧振腔結(jié)構(gòu)。通過長(zhǎng)達(dá)1.5 mm的長(zhǎng)直耦合區(qū)，腔內(nèi)激光得以被高效地引導(dǎo)并提取出來。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該器件在室溫環(huán)境下，單側(cè)波導(dǎo)端面的連續(xù)波輸出功率飆升至105.6 mW。

圖2 量子行走型跑道激光器的實(shí)驗(yàn)與仿真

       在大幅提升功率的同時(shí)，系統(tǒng)的高頻射頻調(diào)制性能也得到了顯著優(yōu)化。由于單步干法刻蝕工藝通常難以兼容外延再生長(zhǎng)，以往器件的側(cè)壁絕緣層較薄，導(dǎo)致射頻截止頻率極低。為此，研究人員在器件的調(diào)制區(qū)域?qū)ｉT沉積了厚達(dá)1500 nm的Si3N4鈍化層，大幅降低了電極接觸的寄生電容，成功將調(diào)制帶寬跨越式提升至10 GHz以上。

圖3 射頻性能優(yōu)化與頻率梳功率縮放特性

       基于此優(yōu)化，當(dāng)向器件注入與環(huán)形腔往返頻率共振的射頻信號(hào)時(shí)，在*的克爾非線性效應(yīng)主導(dǎo)下，激光光譜會(huì)迅速展寬，形成跨度超過30 cm?1且包絡(luò)呈現(xiàn)厄米-高斯分布的量子行頻梳。實(shí)驗(yàn)通過SWIFTS波形重建技術(shù)明確證實(shí)，這些光梳呈現(xiàn)出典型的頻率調(diào)制特征。

       作為一種走向?qū)嵱没墓庾V學(xué)光源，高輸出功率僅僅是準(zhǔn)入門檻，對(duì)發(fā)光狀態(tài)的精準(zhǔn)調(diào)控以及對(duì)復(fù)雜環(huán)境干擾的抵抗力同樣至關(guān)重要。該團(tuán)隊(duì)在總線波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上巧妙地設(shè)計(jì)了左、中、右三個(gè)獨(dú)立的偏置電極。通過非對(duì)稱地對(duì)這些電極施加偏置電壓，研究人員可以獨(dú)立控制波導(dǎo)各點(diǎn)反饋入腔內(nèi)的自發(fā)輻射水平。這種機(jī)制使得操作者能夠像操控?cái)?shù)字開關(guān)一樣，輕松實(shí)現(xiàn)激光在順時(shí)針和逆時(shí)針激射方向之間的隨意切換，且不會(huì)犧牲光梳的帶寬、功率和重復(fù)頻率等核心性能指標(biāo)。

圖4 跑道型激光器的全維度調(diào)控性能

       由于該系統(tǒng)始終運(yùn)行于單向激射模式，任何耦合回跑道腔的反射光，其傳播方向均與原本的激光激射方向逆向而行，因此不會(huì)與發(fā)光場(chǎng)發(fā)生任何破壞性的物理互作用。為了驗(yàn)證這一特性，研究人員在距離波導(dǎo)端面10 cm處放置了一面反射鏡，將高達(dá)95%的輸出光強(qiáng)行反射回波導(dǎo)中，進(jìn)行了極其苛刻的光反饋測(cè)試。結(jié)果表明，無論反饋相位的條件如何改變，光梳的光譜形態(tài)均保持毫發(fā)無損，展現(xiàn)出了對(duì)延遲光反饋的絕對(duì)免疫能力。

       本項(xiàng)研究不僅通過干法刻蝕工藝和跑道型結(jié)構(gòu)大幅降低了此類器件的制造成本，更在單一光子芯片上融合了高功率、寬光譜、方向可控及抗干擾等多種特性。未來，這種高度優(yōu)化的制造平臺(tái)為將多個(gè)環(huán)形激光器、總線波導(dǎo)以及微波傳輸線單片集成創(chuàng)造了充分條件。隨著高頻微波電子學(xué)與光子學(xué)工程的進(jìn)一步深度交融，這些魯棒性的光梳器件將為全集成片上雙梳光譜儀的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，并有望在多變環(huán)境下的精密光譜檢測(cè)任務(wù)中大放異彩。

參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

您好，可以免費(fèi)咨詢技術(shù)客服[Daisy]

 筱曉(上海)光子技術(shù)有限公司

歡迎大家給我們留言，私信我們會(huì)詳細(xì)解答，分享產(chǎn)品鏈接給您。

免責(zé)聲明：

資訊內(nèi)容來源于互聯(lián)網(wǎng)，不代表本網(wǎng)站及新媒體平臺(tái)贊同其觀點(diǎn)和對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé)。如對(duì)文、圖等版權(quán)問題存在異議的，請(qǐng)聯(lián)系我們將協(xié)調(diào)給予刪除處理。行業(yè)資訊僅供參考，不存在競(jìng)爭(zhēng)的經(jīng)濟(jì)利益。