单频半导体激光器研究取得进展：氮化硅微谐振器大大提高半导体激光器性能

洛桑联邦理工学院（EPFL）光子系统实验室（PHOSL）的团队开发出了一种芯片级激光源，在提高半导体激光器性能的同时，还能产生更短的波长。

这项开创性工作由Camille Brès教授和来自洛桑联邦理工学院工程学院的博士后研究员Marco Clementi领导，是光子学领域的重大进展，对电信、计量学和其他高精度应用具有重要意义。

这项研究发表在《Light: Science & Applications》。 该研究揭示了 PHOSL 研究人员如何与光子学和量子测量实验室合作，成功地将半导体激光器与包含微谐振器的氮化硅光子电路集成在一起。这种集成产生了一种混合器件，它能在近红外和可见光范围内发出高度均匀和精确的光，填补了长期以来困扰业界的技术空白。

微型谐振器由半导体激光器激活。资料来源：2023 EPFL/Alain Herzog-CC-BY-SA 4.0。

Brès教授解释说：半导体激光器在现代技术中无处不在，从智能手机到光纤通信，无所不有。然而，由于缺乏相干性和无法有效产生可见光，它们的潜力一直受到限制。我们的工作不仅提高了这些激光器的相干性，还将其输出转向可见光谱，为其应用开辟了新途径。在这里，相干性是指激光器发出的光波相位的一致性。高相干性意味着光波同步，从而产生具有非常精确的颜色或频率的光束。对于计时和精密传感等对激光光束的精确度和稳定性要求极高的应用来说，这一特性至关重要。

提高准确性并改进功能

该团队的方法是将市面上的半导体激光器与氮化硅芯片耦合在一起。这种微小的芯片是用工业标准、高性价比的 CMOS 技术制造的。由于这种材料具有优异的低损耗特性，因此几乎没有光被吸收或漏出。

半导体激光器发出的光通过微型波导流入极小的空腔，光束被截留在空腔中。这些被称为微环谐振器的空腔设计精巧，可在特定频率上产生共振，选择性地放大所需的波长，同时衰减其他波长，从而增强发射光的相干性。

另一项重大成就是混合系统能够将商用半导体激光器发出的光的频率提高一倍，从而实现从近红外光谱到可见光光谱的转变。频率和波长之间的关系成反比，也就是说，如果频率增加一倍，波长就会减少一半。虽然近红外光谱可用于电信，但更高的频率对于制造更小、更高效的设备（如原子钟和医疗设备）是必不可少的，因为这些设备需要更短的波长。

图 1：自注入锁定二次谐波源。a. SIL 机制示意图。DFB 激光器向环形谐振器总线波导注入 FH 波长的光（红色实线箭头）。在环内循环的一小部分光通过瑞利反向散射（虚线箭头）反射后注入 DFB 腔，从而使发射线宽比自由运行时大幅缩小（下图）。这种高相干激光场显示出很高的腔内强度，用于触发相干光电效应并产生 SH 光（蓝色箭头）。请注意，由于后向散射的 SH 光不参与 SIL 过程，因此没有显示出来。b. 实验装置示意图。DFB 激光器（插图中的细节）安装在温度稳定的控制板上，并用导线固定，控制板的位置由微驱动器进行微调。Si3N4 芯片的温度可独立控制，以调整谐振条件。通过准直透镜或透镜光纤（此处未显示）在输出端收集光。Si3N4 芯片尺寸为 5 × 5 mm²。d. 用于 SIL-SHG 的谐振细节。e. 对 FH 和 SH 频率（实线）上涉及的 TE 模式的色散进行有限元模拟。点为实验数据，横轴指泵浦波长。资料来源：Marco Clementi 等人，《A chip-scale second-harmonic source via self-injection-locked all-optical poling》，《Light: Science & Applications》（2023）。

这些较短的波长是在腔体中的滞留光经历了一个称为全光极化的过程后实现的，该过程在氮化硅中产生了所谓的二阶非线性。这里所说的非线性是指光在与材料相互作用时，会发生与频率不成正比的显著变化，即幅度上的跳跃。氮化硅通常不会产生这种特定的二阶非线性效应，而研究小组通过一项巧妙的工程设计来诱发这种效应：该系统利用光在腔体内共振时产生电磁波的能力，激发材料的非线性特性。

图 2：全光极化和二次谐波产生。a. 使用外部可调谐激光器的环形谐振器全光极化。使用透镜光纤对光进行内耦合。b, c 在样品的不同温度下通过扫描泵浦功率获得了输出 FH 和 SH 的二维图。b 显示的是设计在 C 波段工作的 Si3N4 样品的结果，而 c 则对应于在 L 波段工作的不同样品。其中一个 DFB 的近似可调谐区域用白色阴影表示。d. CE 与泵浦波长和样品温度的函数关系图，突出显示了最佳失谐条件。 e. 产生的 SH 功率峰值与输入泵浦电平的比例趋势。f. 嵌入式 χ(2) 光栅的双光子显微镜图像。资料来源：Marco Clementi 等人，《A chip-scale second-harmonic source via self-injection-locked all-optical poling》，《Light: Science & Applications》（2023）。

图 3：自注入锁定二次谐波生成。a. 运行中的 SIL-SHG 光源。从氮化硅环和芯片输出端可以看到产生的 SH 散射。b. 在研究的两个样品中，针对几个工作点（热点）的 DFB 激光器电流扫描（包括热点 D 的 AOP 地图见补充说明 2）。SIL 事件被识别为以滞后为特征的强非对称凹陷，其宽度和深度取决于微谐振器反向散射信号的振幅和相位，以及凹陷的可见度。SIL-SHG 事件的特征是产生的 SH 功率达到峰值 2.3 mW。所有功率均为总线波导输出的额定功率。c. 输出 FH 的光学外差光谱与驱动电流的函数关系。在共振附近，发射频率偏离了原本的线性移动趋势，线宽明显变窄。一旦电流进一步增大（或减小），该趋势就会恢复其线性特征。激光发射频率范围内的间隙高度代表锁定带宽。d. 光学频谱分析仪（分辨率：20 pm）记录的 FH 和 SH 波长的器件发射，显示在仪器的动态范围（65 dB）内不存在边模。资料来源：Marco Clementi 等人，《A chip-scale second-harmonic source via self-injection-locked all-optical poling》，《Light: Science & Applications》（2023）。

图 4：发射线宽。a. 自由运行（红点）和 SIL（橙色线）状态下 FH 发射线宽的外差光谱。在 SIL 状态下，FH 的发射线宽估计远低于仪器的分辨率带宽 (RBW)。b. 用于频率噪声测量的鉴频器装置示意图。来自 SIL-SHG 光源的光被收集到芯片的输出端，去复用的 FH（或 SH）被输送到一个非平衡Mach-Zehnder干涉仪。在一个臂上，使用光纤移相器调节相位。输出信号由快速光电二极管在其中一个输出端检测，并由示波器记录。c. 鉴频器测得的频率噪声谱。灰色虚线标出了技术噪声模式，其缩放比例为 f-1，与发射线增宽的高斯贡献有关。灰色虚线标出了白噪声坪，它与洛伦兹对发射线增宽的贡献有关。根据这些坪的值，我们估计本征线宽在目前情况下缩小了 35 dB。资料来源：Marco Clementi 等人，《A chip-scale second-harmonic source via self-injection-locked all-optical poling》，《Light: Science & Applications》（2023）。

图5：所用 DFB 激光器的典型电流功率特性，在 DFB 输出端（黑色）和氮化硅芯片输出端（红色）测得。资料来源：Marco Clementi 等人，《A chip-scale second-harmonic source via self-injection-locked all-optical poling》，《Light: Science & Applications》（2023）。

未来应用的辅助技术

在该项目中发挥关键作用的Marco Clementi说：我们不仅在改进现有技术，而且还在推动半导体激光器的发展。通过弥合电信和可见光波长之间的差距，我们为生物医学成像和精确计时等领域的新应用打开了大门。

这项技术最有前景的应用之一是计量学，特别是在开发紧凑型原子钟方面。导航技术的发展史取决于精确计时器的便携性--从16世纪在海上确定经度，到确保太空任务的精确导航，再到今天的实现更好的地理定位。

Clementi指出：这一重大进展为未来技术的发展奠定了基础，其中一些技术尚待构思。该团队对光子学和材料科学的深刻理解有可能带来更小、更轻的器件，并降低激光器的能耗和生产成本。他们有能力利用行业标准的制造工艺，将一个基本的科学概念转化为实际应用，这凸显了解决复杂技术难题的潜力，从而带来不可预见的进步。