近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所空天激光技術(shù)與系統(tǒng)部王俊研究員團(tuán)隊(duì)在基于SiN-Ti:Sapphire異質(zhì)集成的可見(jiàn)-近紅外波段寬帶波導(dǎo)放大器研究方面取得進(jìn)展。相關(guān)成果以“Design of a broadband Si3N4 waveguide amplifier based on a gain medium of ion-sliced titanium-doped sapphire”為題發(fā)表于Optics Letters。

自1982年發(fā)明以來(lái)，Ti:Sapphire激光器在基礎(chǔ)物理、化學(xué)光譜學(xué)和生物研究中實(shí)現(xiàn)了眾多應(yīng)用。與其他固態(tài)增益材料相比，摻鈦的藍(lán)寶石晶體 (化學(xué)式為Ti3+: Al2O3，簡(jiǎn)稱Ti:Sapphire)具有許多優(yōu)勢(shì)，包括寬調(diào)諧范圍 (600~1200 nm)、大面積發(fā)射截面以及多種不同波長(zhǎng)的光源。最近，Joshua Yang等人展示了一項(xiàng)里程碑式的工作，通過(guò)Ti:Sapphire單晶和 SiO2 晶圓的晶片鍵合、CMP 拋光和干法蝕刻制成的Ti:Sapphire激光器實(shí)現(xiàn)了超低亞毫瓦的激光閾值放大。然而，通過(guò)干法蝕刻控制Ti:Sapphire薄膜厚度帶來(lái)了效率低、成本高且不適合大規(guī)模生產(chǎn)的問(wèn)題。

圖1 SiN-Ti:Sapphire波導(dǎo)放大器的結(jié)構(gòu)示意圖

在本項(xiàng)工作中，研究人員通過(guò)使用Runge–Kutta算法來(lái)計(jì)算傳播方程，對(duì)其迭代求解進(jìn)行增益特性研究。如圖2所示，發(fā)現(xiàn)當(dāng)泵浦功率達(dá)到 160 mW 時(shí)，比較大增益達(dá)到了28 dB，并在近 100 THz 的帶寬內(nèi)保持 20 dB 以上的增益。此結(jié)果展示了 SiN-Ti:Sapphire波導(dǎo)放大器的寬發(fā)射帶，表明其在寬光譜范圍內(nèi)提供穩(wěn)定放大的能力。經(jīng)過(guò) 1200°C、0.05 MPa 鍵合并退火 10 h 后，成功實(shí)現(xiàn)了襯底藍(lán)寶石上的Ti:Sapphire薄膜的制備，如圖3所示。盡管由于表面質(zhì)量和鍵合條件的限制，當(dāng)前薄膜的尺寸僅為約200 μm直徑和1 μm厚度，但通過(guò)后續(xù)工藝優(yōu)化將有可能制備更大的Ti:Sapphire薄膜。相關(guān)工作有望為片上Ti:Sapphire波導(dǎo)放大器和激光器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)提供新的途徑，為實(shí)現(xiàn)小型化、片上化冷原子系統(tǒng)提供有力支撐。

圖2 SiN-Ti:Sapphire波導(dǎo)放大器的增益效果

圖3 Ti:Sapphire薄膜制備實(shí)驗(yàn)


審核編輯 黃宇