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。特別是具有皮秒級超快增益恢復(fù)時間的量子級聯(lián)激光器，能夠在純直流偏置下實現(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)的增益競爭和單模失穩(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)彎曲損耗來進行光輸出耦合。這種設(shè)計盡管其腔內(nèi)循環(huán)的功率可能高達數(shù)百毫瓦，但實際可用的端面輸出功率往往被嚴格限制在亞毫瓦級別。如何在高功率運行下保持單向性以及對發(fā)射方向進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，研究團隊創(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)。通過長達1.5 mm的長直耦合區(qū)，腔內(nèi)激光得以被高效地引導(dǎo)并提取出來。實驗結(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驗與仿真

       在大幅提升功率的同時，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，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，當向器件注入與環(huán)形腔往返頻率共振的射頻信號時，在*的克爾非線性效應(yīng)主導(dǎo)下，激光光譜會迅速展寬，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。實驗通過SWIFTS波形重建技術(shù)明確證實，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入門檻，對發(fā)光狀態(tài)的精準調(diào)控以及對復(fù)雜環(huán)境干擾的抵抗力同樣至關(guān)重要。該團隊在總線波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上巧妙地設(shè)計了左、中、右三個獨立的偏置電極。通過非對稱地對這些電極施加偏置電壓，研究人員可以獨立控制波導(dǎo)各點反饋入腔內(nèi)的自發(fā)輻射水平。這種機制使得操作者能夠像操控數(shù)字開關(guān)一樣，輕松實現(xiàn)激光在順時針和逆時針激射方向之間的隨意切換，且不會犧牲光梳的帶寬、功率和重復(fù)頻率等核心性能指標。

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，因此不會與發(fā)光場發(fā)生任何破壞性的物理互作用。為了驗證這一特性，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95%的輸出光強行反射回波導(dǎo)中，進行了極其苛刻的光反饋測試。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)出了對延遲光反饋的絕對免疫能力。

       本項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)化的制造平臺為將多個環(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)展奠定堅實基礎(chǔ)，并有望在多變環(huán)境下的精密光譜檢測任務(wù)中大放異彩。

參考文獻： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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