高Q谐振器上的可调谐单模激光

长三角G60激光联盟导读

据悉，晶体铌酸锂（LN）被认为是“光子学的硅”，因为其卓越的光学特性，包括宽透明窗口和高压电、声光、二阶非线性和电光系数，这些对于光子集成电路（PIC）应用至关重要。纳米制造技术的最新突破促进了薄膜LN上的各种高性能集成光子器件，如超快电光调制器、宽带光学频率梳和高效光学频率转换器。

用于超窄线宽单频微盘激光器的相干组合多边形模。来源：Jintian Lin, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics.

作为PICs不可或缺的组件，片上微激光器最近已在不同波长带（~1550nm和1030nm）的稀土掺杂LN芯片上实现。为了实现从激光雷达到计量学的许多应用，LN微激光器应具有超窄线宽和高波长可调性。

高Q因子是一个关键参数。根据Schawlow-Townes理论，增加Q因子将导致微激光线宽的二次减小。迄今为止证明的最高Q因子是回音廊道模式（WGM）微腔的Q因子，其中光限制通过光滑圆形周边周围的连续全内反射实现。然而，光增益带宽内的密集WGM通常会在微腔中产生多模激光。原则上，由于自由光谱范围（FSR）的展宽，可以通过减小WGM微腔的尺寸来实现单模激光。不幸的是，这种策略不可避免地导致辐射损失增加，这对激光产生不利。因此，在单个微盘谐振器上实现单模激光仍然是一个挑战。

单频超窄线宽微盘激光器：（a）单模激光光谱，插图：与锥形光纤耦合的微盘，其中标尺为10μm。（b）激光输出功率与下降到腔中的泵浦功率的关系显示泵浦阈值为25μW。（c）检测到的两个独立微激光器的拍频信号的频谱，指示322Hz的激光线宽。（d）实验多边形模和模拟多边形模的强度分布以及泵浦模和激光模的重叠为0.86。来源：Lin等人

正如《高级光子学》中所报道的，研究人员通过在泵浦和激光波长同时激发高Q多边形模式来实现这一点。他们使用光刻辅助化学机械蚀刻（PLACE）以可控且经济高效的方式制造与微电极集成的LN微腔。微腔提供了一个超光滑的表面，使腔WGM具有超高的Q因子。

激光和偏振测量的实验装置。使用可变光衰减器（VOA）调谐Z切割微盘的输入功率。TM和TE分别表示横向磁极化状态和横向电极化状态。插图：微盘（无电极）的SEM图像和与Cr电极集成的微盘的光学显微照片。

多边形模式由锥形光纤的弱扰动触发的多个WGM相干组合。与WGM对应模式相比，多边形模式在光学增益带宽内是稀疏的，而它们的Q因子保持超高（例如约1000万），导致线宽窄至322Hz的单频激光。此外，由于LN的强线性电光系数，该系统提供了微激光波长的实时电光调谐；研究团队证明了该系统的高调谐效率 50pm/100V。

具有超高Q因子的相干多边形模式的形成确保了在单LN微盘中实现单模窄线宽微激光器，这对于必须包含高相干激光源的微型光学系统具有重要意义。对LN衬底的强压电、声光和二阶非线性特性的进一步探索有望提高单模微盘激光器的性能和功能，从而绕过对异质集成的需求。

（a）不同泵浦功率水平下微激光输出功率的光谱。（b） 1546nm波长的方形激光模式的光学显微照片。插图：550nm波长（左）和泵浦光（右）周围上转换荧光方模的光学显微照片。（c）上转换荧光和泵浦光的光谱。插图：与微盘耦合的锥形光纤的光学显微照片。（d）激光光谱。（e）激光输出功率与下降到腔中的泵浦功率的关系显示泵浦阈值为25  μW。（f）在971.5-nm波长下用WGM泵浦时的多模激光光谱。插图：上转换荧光的光学显微照片，沿光盘外围显示圆形图案。

来源：Electro-optic tuning of a single-frequency ultranarrow linewidth microdisk laser, Advanced Photonics (2022). DOI: 10.1117/1.AP.4.3.036001

长三角G60激光联盟陈长军原创作品！