可见光的单片集成外腔激光器

----翻译自Lisa V. Winkler等人 2024 年发表的《Chip-integrated extended-cavity mode-locked laser in the visible》

摘要
锁模激光器在生物成像、非线性频率转换和单光子生成等应用中具有重要意义。在红外波段，通过将激光二极管与低损耗光子电路集成，已成功演示了芯片集成锁模激光器。然而，由于更高的传输损耗和更小的对准容差等额外挑战，此类激光器在可见光范围内的实现一直未能成功。本文中，我们展示了首款利用集成光子电路实现腔扩展的可见光芯片集成锁模二极管激光器。该激光器基于砷化镓增益芯片和低损耗氮化硅反馈电路，通过聚焦离子束铣削实现的饱和吸收体实现被动锁模。在中心波长642nm处，激光器的平均输出功率为3.4mW，光谱带宽为1.5nm，重频为7.84GHz。

1 引言
在可见光谱范围内工作的锁模激光源的光子芯片集成为各种应用带来了巨大的潜力，包括用于化学成像的生物样品拉曼散射[1]、扩展集成光源范围的片上非线性频率转换[2]，或单光子发射器的激发，为集成光子学的可扩展量子处理做出贡献[3]。

许多在红外波段工作的半导体锁模激光器已被演示，文献[4]对其进行了概述。然而，可见光光谱范围内仅有一篇关于集成锁模二极管激光器的报道[5]，该激光器利用了没有外部反馈的单片InGaN腔。这种单片锁模半导体激光器通常由于半导体放大器中的高固有损耗而导致相干性有限。此外，短腔长会导致高脉冲重复率。

这些限制可以通过将半导体激光二极管与包含低损耗集成波导电路的光子芯片集成来克服。增加腔中的光子寿命会导致更低的光和射频（RF）线宽[6,7]，同时腔长可以选择为匹配所需的重复率。近年来，这种方法已成功应用于红外激光器，例如文献[8,9]中所示。然而，可见光范围内尚未有此类激光器的演示。这是由于更短的波长带来的额外固有挑战，特别是由于散射增加导致光子芯片中的传输损耗更高、对准容差更小，以及缺乏合适的集成饱和吸收体。

在这里，我们展示了首款在可见光谱范围内的混合集成锁模激光器，为集成锁模激光器开辟了新的光谱窗口。我们的激光器在中心波长642nm处工作，平均输出功率为3.2mW，在7.84GHz的重复频率下光谱带宽为1.5nm。

2 设计与制造
该激光器由用于光的产生和放大的砷化镓半导体光放大器（SOA）和用于扩展腔长的反馈波导芯片组成，如图1所示。反馈芯片固定在底座上，并与输出光纤和电连接一起封装。两个芯片通过边缘耦合形成混合激光器。

图1：混合集成半导体激光腔的示意图。左侧黄色部分表示增益芯片，包括半导体光放大器（SOA）和饱和吸收体（SA）部分。右侧灰色部分显示了无源反馈芯片的布局，带有波导螺旋、移相器和可调耦合器以及作为可调反射镜的Sagnac环，所有波导均以红色显示。

反馈芯片包含具有不对称双条纹横截面的氮化硅（Si₃N₄）波导，如文献[10]所述，在约642nm的波长下具有低传输损耗（0.32±0.05dB/cm）。波导电路包括一个集成的萨尼亚克环反射镜，作为腔反射镜之一。该反射镜通过向可调耦合器臂之一的电阻加热器施加电功率来提供可调输出耦合。另一个电阻加热器放置在部分波导顶部，作为移相器，能够调谐纵向腔模。波导螺旋提供了腔的无源扩展，延长了光子寿命。无源光子集成电路的几何路径长度约为10.8mm，使用计算出的有效折射率1.51，对应的光学单程路径长度为16.3mm。在芯片的另一侧，横向锥形结构有助于与SOA的模式匹配。SOA和反馈芯片的波导相对于刻面成一定角度，以防止导模中的背向反射。

增益芯片（EXALOS AG，中心波长：642nm）包括一个0.80mm长的砷化镓增益段，后刻面具有高反射涂层（≥95%）。根据有效折射率3.2，增益芯片为单程光学腔长增加了2.6mm。当增益芯片与反馈芯片边缘耦合时，它们形成一个混合激光腔，总单程光学路径长度为18.9mm，对应的计算自由光谱范围为7.9GHz。在642nm的波长下，这转化为约10pm的模式间隔和约126ps的往返时间。

为了实现激光器的被动锁模，我们使用了饱和吸收体（SA）。对于半导体激光器，SA可以由与SOA相同的材料制成，SOA工作在正向偏压下，SA工作在反向偏压下。SA的反向偏压缩短了吸收体的恢复时间，当SA未被脉冲的高强度光饱和时，允许增加吸收[11,12]。

我们使用市售的增益芯片，其为单个连续波导结构。为了实现所需的独立偏置，我们将增益段分成两个电隔离的部分：一个用作SOA，另一个用作SA。为了实现这种分离，我们使用聚焦离子束FIB铣削[13]在增益芯片的顶部电极中创建一个绝缘间隙，该技术先前已应用于在红外单片锁模激光器中实现SA[14]。这种方法允许使用现成的增益段进行快速原型制作。

FIB铣削是一种高精度微加工技术，涉及将聚焦的离子束入射到导电衬底上。其主要机制是物理溅射，其中离子束的动量将原子从衬底表面置换，从而以高度可控的方式去除材料。这允许亚微米级的材料去除精度[13]。我们以2.6nA的束流将镓离子束瞄准砷化镓衬底顶部的导电层，以选择性地仅处理该层，而不处理SOA的脊形波导。扫描电子显微镜（SEM）图像（图2a）显示了最终的切割，显示出了由绝缘间隙分隔的SA和SOA部分。间隙与SA之间边界的放大SEM图像（图2b）提供了间隙的详细视图，显示间隙中的脊形波导顶部的金（浅色）已被去除（深色）。绝缘间隙的长度约为20μm，SA长度大概17.5um。该值处于报道的最佳锁模性能的SA长度相对于SOA长度0.8mm的典型2-4%范围内[15,14]。通过这种方法实现的电隔离阻值测量为10kΩ，表明SA与SOA成功分离。

图2：使用FIB铣削制作的切割的SEM图像，示出了去除导电顶层的绝缘间隙，将SA（上方）与SOA（下方）分离。（b）SA边缘的放大SEM图像，显示去除了金接触层和暴露的脊形波导。

3 结果
为了研究通过SA启动锁模，我们在两种SA偏置条件（0V和-2.5V）下对激光输出进行了光学和射频域的表征，这使得能够清楚地区分多模和锁模操作（图3）。在这些测量中，输出耦合比固定为75%，激光泵浦电流固定为最大安全工作电流55mA。对于两种SA设置，我们使用光谱分析仪（OSA，Ando AQ-6315A）记录光谱，分辨率设置为0.1nm。由于该分辨率不足以分辨各个纵向模式，OSA测量仅指示激光振荡的纵向模式范围。为了进一步提高分辨率，同时使用快速光电二极管（Thorlabs DXM12CF，12GHz带宽）和电谱分析仪（ESA，Keysight CXA信号分析仪N9000B，26.5GHz带宽）记录射频光谱，分辨率带宽RBW为3MHz，视频带宽VBW为300kHz。

在0V的反向偏压下，激光器以3.7mW的平均输出功率工作。光谱（a）显示出典型的多模轮廓，有几个明显的峰值，中心波长为642nm。相应的射频光谱（b）在激光腔的自由光谱范围（FSR）附近显示出两个宽的、不规则的和不稳定的峰值，在-10dB水平处宽度约为1GHz。在FSR的二次谐波附近可见第二组散射峰值。这些光谱特征表明激光腔中存在多个纵向非等距模式振荡，表明没有锁模。因此，在没有SA反向偏压的情况下，激光器表现出多模工作。

当向SA施加-2.5V的反向偏压时，腔内损耗增加，平均输出功率仅略有下降（3.4mW）。然而，激光输出光谱（c）发生了显著变化。光谱现在显示出加宽的平顶轮廓，没有任何特别偏好的波长，这是锁模激光器的特征。这种变化表明能量在光谱上的重新分布。光谱在相同的中心波长642nm处的半高全宽（FWHM）约为1.5nm。测量的射频光谱显示出最显著的变化。与没有SA偏压的操作相比，射频光谱现在在腔FSR为7.84GHz处以及二次和三次谐波处显示出尖锐、强烈的射频拍频，幅度比ESA的噪声基底高60dB。这些尖锐的射频拍频是具有等距光频率的锁模的明显标志，也称为光学频率梳源。在1.5nm的光谱带宽和642nm处约10pm的模式间隔下，预计在该混合激光器的锁模状态下约有150种不同的模式同时振荡。

锁模激光器重复频率的被动稳定性可以通过记录激光器射频光谱的主线形状分量来量化。使用300Hz的RBW记录的基频拍频的Voigt拟合得出射频线宽为40kHz（FWHM），其中洛伦兹分量为11kHz，高斯分量为33kHz。这种低线宽比重复频率小约五个数量级，表明锁模稳定，与其他扩展到类似腔长的锁模激光器（通常在1550nm处工作）相当[4,16,8]。

为了研究在其他工作参数下是否也能实现锁模，我们测量了激光平均输出功率随泵浦电流的变化，针对SA部分施加的三种不同反向偏压值（图4a）：0V、-2V和-3V。同时，使用快速光电二极管和ESA记录射频光谱。根据泵浦电流和SA偏压，射频光谱显示三种不同的工作状态，典型示例如图4b所示：单模振荡，由无射频峰值表示（黄色迹线），多模振荡，由射频信号中的宽而不稳定的峰值表示（绿色迹线），以及锁模操作，由尖锐和稳定的射频拍频表示（红色迹线）。对于0V的偏压，我们观察到在26mA的泵浦电流下阈值最低，斜率效率为141±2mW/A。随着反向偏压的增加，由于SA中的吸收增加，阈值升高。当泵浦电流略高于阈值时，激光器始终发射单纵模，如黄色数据符号所示。在约35至40mA的稍高泵浦电流下，激光器进入多模工作状态，如绿色符号所示。

对于0V和-2V的反向偏压，激光器在高达55mA的最大适用泵浦电流下表现出多模工作。然而，对于-3V的反向偏压，激光器在44mA的泵浦电流下进入锁模状态，其特征是尖锐的射频拍频，如红色符号所示。锁模状态在49mA的泵浦电流下丢失，并变回多模。在50mA时，激光器进入稳定的锁模状态，该状态维持到最大研究泵浦电流55mA。由此我们得出结论，对于-3V的反向偏压，SA和SOA的饱和水平和恢复时间相互平衡，导致在宽范围的泵浦电流下稳定锁模。在该锁模状态下，激光器在55mA泵浦电流下的最大平均输出功率约为3.2mW，由于SA吸收增加，略低于在-2.5V下测量的平均输出功率。

图3：（a）在55mA泵浦电流下，未对SA施加偏压的混合激光器多模工作的光谱。（b）多模工作时激光器的相应射频光谱。（c）在-2.5V反向偏压下锁模状态下的激光器光谱，显示1.5nm宽的光谱，类似于频率梳。（d）锁模激光器的相应射频光谱，显示在腔FSR的整数倍处的强而尖锐的射频拍频。

图4：（a）混合激光器的光输出功率随SOA泵浦电流的变化，针对不同的反向偏压。（b）激光器不同工作状态的典型观察射频光谱。无射频峰值表示单模，宽不稳定峰值表示多模，尖锐强峰值表示锁模操作。

4 结论
总之，我们展示了首款在可见光谱范围内工作的混合集成锁模半导体激光器。这是通过将市售半导体激光二极管与低损耗Si₃N₄集成光子反馈电路混合集成实现的。使用FIB铣削将SOA部分的电隔离部分用作SA是一种通用方法，可用于探索宽波长范围内的锁模。作为下一步，具有优化SA和SOA参数的增益芯片也可以通过光刻制造。随着从近紫外到近红外的宽可见波长范围内的二极管放大器的现成可用性，以及Si₃N₄光子电路平台的不断成熟，实现适用于宽可见波长范围的芯片集成超快器件似乎是可行的，如最近对连续光源的演示[17]。借助光子集成平台和现代半导体技术提供的可扩展性，可见光波长混合集成锁模半导体激光器有望在便携式生物成像[18]、光通信[19]和便携式原子钟[20,21]等应用中做出贡献。

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审核编辑 黄宇