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硅光子学高能量被动调Q激光器的突破性研究

1. 研究作者、机构及发表信息

本研究由Neetesh Singh（德国电子同步加速器研究中心DESY）领衔，联合德国基尔大学、荷兰特文特大学、芬兰阿尔托大学、加拿大麦克马斯特大学等多家机构共同完成，发表于Nature Photonics期刊，在线发布时间为2024年1月8日（DOI: 10.1038/s41566-024-01388-0）。

2. 学术背景

科学领域：集成光子学（Integrated Photonics）与激光技术。
研究动机：随着集成光学在太空和医疗等微型化需求领域的扩展，芯片级高能量脉冲激光器的开发成为关键挑战。传统高能量脉冲依赖体积庞大的固态或光纤激光器，而集成光子学因光学模式截面小，能量存储能力受限。
研究目标：开发一种基于硅光子学平台、兼具高能量输出与紧凑尺寸的被动调Q（Q-switched）激光器，其性能需媲美或超越传统光纤激光器，适用于视网膜安全波段（1.9 µm）。

3. 研究流程与方法

3.1 器件设计与制备

• 激光器结构：由增益区、腔镜和可饱和吸收体（Saturable Absorber, SA）组成。增益介质为掺铥氧化铝（Tm³⁺:Al₂O₃）薄膜，通过射频溅射沉积，铥离子浓度3.2×10²⁰ cm⁻³。
  
• 波导设计：采用大模场面积（Large-Mode-Area, LMA）波导，信号模场面积26.7 µm²，泵浦模场面积26.3 µm²，泵浦-信号模式重叠率>99%。通过蛇形增益波导设计实现长腔（16.7 cm）与小尺寸（~9 mm²）的平衡。
  
• 可饱和吸收体：基于非线性迈克尔逊干涉仪（NLI-SA），通过非3dB耦合器分光，利用克尔效应（Kerr effect）实现反射率随光强动态调节。
  

3.2 关键工艺

• 硅氮化物（SiN）波导制备：采用CMOS兼容工艺，通过步进光刻在100 mm晶圆上加工，SiN层厚度误差±5%。
  
• 增益层集成：局部蚀刻顶部二氧化硅层，沉积840 nm厚Tm³⁺:Al₂O₃薄膜，覆盖PECVD二氧化硅保护层。
  
• 热调谐元件：集成金加热器以补偿制造公差，调节NLI-SA相位偏移。
  

3.3 实验与测试

• 泵浦与输出测量：使用1.61 µm连续波激光泵浦，通过透镜光纤耦合至芯片。输出脉冲通过高速InGaAs探测器（12 GHz带宽）和光谱分析仪（Yokogawa AQ6376）表征。
  
• NLI-SA性能标定：通过弱信号注入与热调谐，提取实际反射率曲线，验证其调制深度>50%。
  

4. 主要研究结果

4.1 高能量脉冲输出

• 脉冲性能：单脉冲能量>150 nJ，脉宽250 ns，重复频率 MHz，斜率效率~40%。光谱中心波长1.89 µm，符合视网膜安全标准。
  
• 性能对比：脉冲能量比此前集成调Q激光器高20 dB，斜率效率显著优于多数光纤激光器（补充材料表S1）。
  

4.2 模式与稳定性

• 单横模输出：LMA波导设计有效抑制高阶模，弯曲损耗低至-0.0008 dB/180°（弯曲半径90 µm）。
  
• 功率稳定性：输出功率波动仅1–2%，主要源于光纤-芯片耦合机械漂移。
  

4.3 可饱和吸收体动态调控

• NLI-SA调谐机制：通过加热器调节干涉仪臂相位，实现激光器在连续波与脉冲模式间切换，为医疗应用（如神经外科与脊柱手术）提供灵活性。
  

5. 研究结论与价值

科学价值：
- 首次在硅光子平台实现媲美光纤激光器的高能量脉冲输出，突破集成光子学的能量存储限制。
- 提出LMA波导与NLI-SA的创新设计，为芯片级高功率激光器提供通用框架。

应用价值：
- 医疗领域：1.9 µm波长适用于激光手术（如泌尿碎石术），其低能量密度可减少组织损伤。
- 太空与传感：满足卫星温室气体探测（如CO₂激光雷达）对小型化、低功耗激光源的需求。

6. 研究亮点

1. 能量突破：150 nJ脉冲能量为集成光子学领域最高纪录之一。
   
2. 创新设计：LMA波导与NLI-SA的结合解决了模式限制与非线性损耗的矛盾。
   
3. 工艺兼容性：全CMOS兼容工艺支持未来与电子器件的三维集成。
   

7. 其他重要内容

• 损伤阈值管理：通过控制腔内功率，避免SiN波导在纳秒脉冲下的损伤（阈值约数百nJ）。
  
• 波长扩展潜力：设计可适配1.55 µm（铒掺杂）或1 µm（镱掺杂）波段，拓展通信与工业应用。
  

此研究为集成光子学在高能量激光领域的里程碑，为下一代微型化激光系统奠定了技术基础。