近期，中國科學院上海光學精密機械研究所空天激光技術與系統(tǒng)部王俊研究員團隊在基于SiN-Ti:Sapphire異質集成的可見-近紅外波段寬帶波導放大器研究方面取得進展。相關成果以“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，Ti:Sapphire激光器在基礎物理、化學光譜學和生物研究中實現(xiàn)了眾多應用。與其他固態(tài)增益材料相比，摻鈦的藍寶石晶體 (化學式為Ti3+: Al2O3，簡稱Ti:Sapphire)具有許多優(yōu)勢，包括寬調諧范圍 (600~1200 nm)、大面積發(fā)射截面以及多種不同波長的光源。最近，Joshua Yang等人展示了一項里程碑式的工作，通過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激光器實現(xiàn)了超低亞毫瓦的激光閾值放大。然而，通過干法蝕刻控制Ti:Sapphire薄膜厚度帶來了效率低、成本高且不適合大規(guī)模生產(chǎn)的問題。

圖1 SiN-Ti:Sapphire波導放大器的結構示意圖

在本項工作中，研究人員通過使用Runge–Kutta算法來計算傳播方程，對其迭代求解進行增益特性研究。如圖2所示，發(fā)現(xiàn)當泵浦功率達到 160 mW 時，比較大增益達到了28 dB，并在近 100 THz 的帶寬內(nèi)保持 20 dB 以上的增益。此結果展示了 SiN-Ti:Sapphire波導放大器的寬發(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 1200°C、0.05 MPa 鍵合并退火 10 h 后，成功實現(xiàn)了襯底藍寶石上的Ti:Sapphire薄膜的制備，如圖3所示。盡管由于表面質量和鍵合條件的限制，當前薄膜的尺寸僅為約200 μm直徑和1 μm厚度，但通過后續(xù)工藝優(yōu)化將有可能制備更大的Ti:Sapphire薄膜。相關工作有望為片上Ti:Sapphire波導放大器和激光器的優(yōu)化設計和實驗實現(xiàn)提供新的途徑，為實現(xiàn)小型化、片上化冷原子系統(tǒng)提供有力支撐。

圖2 SiN-Ti:Sapphire波導放大器的增益效果

圖3 Ti:Sapphire薄膜制備實驗


審核編輯 黃宇