导读

在当今光电子技术快速发展的时代，高功率可调谐激光器在众多领域中都发挥着至关重要的作用。然而，集成光子学通常被认为不适合高功率应用，主要是因为其较小的尺寸限制了能量存储容量，从而限制了输出功率。为了打破这一技术瓶颈，来自德国自由电子激光科学中心的Neetesh Singh等研究人员开展了一项极具创新性和前瞻性的研究工作。他们另辟蹊径，创新性地将掺铥氧化铝增益膜与硅光子技术进行有机结合，成功研制出一种基于大模场功率放大器的高功率（接近2W）可调谐激光器。目前现有的可集成可调激光器的功率仅限于几十毫瓦，这一成果为高功率光电子学应用带来了新的曙光和希望。该成果以“Sub-2W tunable laser based on silicon photonics power amplifier”为题发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》， Neetesh Singh是文章的第一兼通讯作者。

研究团队精心设计了一种结构独特的混合结构激光器。该激光器以硅衬底为基础，在其上依次堆叠氧化层、氮化硅层和顶部氧化层，并且在增益层区域通过选择性蚀刻形成了特定的开口结构，从而巧妙地实现了光在器件内的高效传输以及增益功能的有效协同。其中，掺铥氧化铝增益膜作为整个激光器的有源介质，其具有的宽增益带宽特性为激光器在不同应用场景下的性能优化提供了坚实的保障。这种独特的结构设计原理及各层结构关系如图 1a 所示。

图1. a) 具有集成高功率放大器、泵浦源和种子可调谐激光器（TL）的概念性高功率可调谐激光器。b) 展示泵浦和信号能级的简化能级图。c) 高功率可调谐激光器潜在应用的艺术效果图，它被集成到卫星中用于空间应用，如行星探测。

研究背景

高功率可调谐激光器因其在通信、测距和分子传感等领域的巨大应用潜力而受到广泛关注。传统的高功率可调谐激光器和放大器多采用台式光纤和固态系统架构。这类系统因其较大的物理体积，能够存储大量的能量，从而实现较高的输出信号功率。另外，集成光子学虽然在小型化和电路紧凑性方面具有显著优势，但由于其模态限制较为严格，导致能量存储体积相对较小，在功率输出方面受到了极大的限制。尽管半导体激光器和放大器在硅光子学领域已经得到了广泛的应用，但仍然面临着产量低、成本高以及异质集成复杂等诸多难题，其输出功率通常仅能达到数十毫瓦级别，远远无法满足实际高功率应用的需求。

为了在集成光子学领域实现与传统台式系统相媲美的功率水平，开发一种能够支持大能量存储和高增益饱和功率的新型器件成为了该领域研究的关键所在。大模场面积技术在光纤系统中的成功应用为芯片级集成光子学系统提供了宝贵的经验和启示。将这一技术引入芯片级集成光子学系统，有望引发该领域的革命性变革，从而有效地满足高功率应用场景的迫切需求。

创新研究

研究团队开创性地提出了一种基于硅光子学功率放大器的高功率可调谐激光器设计方案，该方案的核心是大模场面积功率放大器，其采用了混合结构设计，在无源层上巧妙地集成了有源介质，成功地解决了能量存储和功率提升这两大难题。放大器的结构分为大模场面积部分和强模限制区域，大模场面积部分主要负责产生高功率信号，强模限制区域则承担着泵浦和信号的输入输出以及各功能部分之间稳定连接的重要任务。

在实验过程中，研究人员采用了独特的反向注入泵浦光和种子激光的技术方案。通过对不同长度器件的精心测试，发现长度为 6 cm 的器件性能表现最为优异。该器件在 1.83 µm至 1.89 µm 的可调谐范围内，成功实现了高达 1.8 W 的输出功率，并仅受种子激光器的限制。同时，其净增益达到了约 11.5 - 13.5 dB，并且在数小时的连续测试中，性能始终保持稳定可靠（见图2b-e）。此外，研究人员还深入研究了噪声系数与增益之间的关系，发现随着增益的增加，噪声系数呈现出降低的趋势，并且在较高的种子功率下，噪声系数能够进一步降低，因此激光器具有优良的噪声性能和信号质量（见图3）。这些实验结果为激光器性能的进一步优化提供了重要的理论依据和实践指导。

图2. a)反向传播方案示意图 。b)对于从1.83微米到1.89微米调谐的信号，种子激光器的放大信号输出功率与耦合泵浦功率的关系，芯片上种子输入功率范围从81毫瓦到115毫瓦。c)净增益与泵浦功率的关系。d) 种子激光器的宽带光谱显示在泵浦光和信号之间存在可忽略的放大自发辐射(ASE)基底。e)放大输出(在净增益为10-12分贝时测量)和从1830纳米到1890纳米的输入信号的光谱测量的混合电光腔特征和主动电光腔设计原理的理论建模。

图3. a)和 b)分别为在1845纳米和1888纳米处，不同芯片上种子功率下噪声系数与增益的关系。插图显示输入和放大输出信号光谱(当净增益接近16分贝时，在1845纳米附近用10毫瓦种子功率可看到寄生激光尖峰)。

为了深入探究掺铥离子在该激光器中的发光特性，研究团队运用了光致发光研究技术。研究结果表明，光致发光光谱的形状与泵浦功率之间并无明显关联，而总功率则随着泵浦功率的增加而显著增加，荧光寿命则呈现出随着泵浦功率升高而降低的趋势。

与以往的硅光子学器件相比，该研究中接近 1.8 W 的高功率输出激光器使其在医疗、空间通信、引力波探测等众多前沿领域展现出了广阔的应用前景（如图4），有望为这些领域的发展提供强有力的技术支持。

图4. a)不同泵浦功率下的光致发光(PL)光谱。插图显示积分PL功率与泵浦功率的关系。b)相对于泵浦功率的 PL时域轨迹。插图显示1/e寿命(信号从峰值下降63.2%所需的时间)。c)增益薄膜的测量和外推的发射截面和吸收截面。

总结与展望

本研究成功地展示了一种基于硅光子大模场面积放大器的高功率可调谐激光器，在 1.83 µm至 1.89 µm 的可调谐范围内，实现了高达 1.8 W 的输出功率。该激光器不仅具备提升片外可调谐激光器功率的潜力，而且有望与片上可调谐激光器实现高度集成，从而极大地简化系统结构，显著提高系统的集成度和整体性能。

未来，研究人员计划进一步深化研究，通过与高功率泵浦二极管进行共集成，致力于提高光-光和电-光转换效率，从而进一步提升激光器的整体性能。针对需要高小信号增益的应用场景，研究人员拟通过在芯片端面进行抗反射涂层处理或采用高功率折射率匹配液等创新技术手段，有效避免寄生激光现象的发生，从而实现更高的增益。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01681-1