長三角G60激光聯(lián)盟導(dǎo)讀
據(jù)悉，晶體鈮酸鋰（LN）被認(rèn)為是“光子學(xué)的硅”，因?yàn)槠渥吭降?span id="qp5qgeu" class="wpcom_tag_link">光學(xué)特性，包括寬透明窗口和高壓電、聲光、二階非線性和電光系數(shù)，這些對于光子集成電路（PIC）應(yīng)用至關(guān)重要。納米制造技術(shù)的最新突破促進(jìn)了薄膜LN上的各種高性能集成光子器件，如超快電光調(diào)制器、寬帶光學(xué)頻率梳和高效光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換器。
用于超窄線寬單頻微盤激光器的相干組合多邊形模。來源：Jintian Lin, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics.
作為PICs不可或缺的組件，片上微激光器最近已在不同波長帶（~1550nm和1030nm）的稀土摻雜LN芯片上實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)從激光雷達(dá)到計(jì)量學(xué)的許多應(yīng)用，LN微激光器應(yīng)具有超窄線寬和高波長可調(diào)性。
高Q因子是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。根據(jù)Schawlow-Townes理論，增加Q因子將導(dǎo)致微激光線寬的二次減小。迄今為止證明的最高Q因子是回音廊道模式（WGM）微腔的Q因子，其中光限制通過光滑圓形周邊周圍的連續(xù)全內(nèi)反射實(shí)現(xiàn)。然而，光增益帶寬內(nèi)的密集WGM通常會(huì)在微腔中產(chǎn)生多模激光。原則上，由于自由光譜范圍（FSR）的展寬，可以通過減小WGM微腔的尺寸來實(shí)現(xiàn)單模激光。不幸的是，這種策略不可避免地導(dǎo)致輻射損失增加，這對激光產(chǎn)生不利。因此，在單個(gè)微盤諧振器上實(shí)現(xiàn)單模激光仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。
單頻超窄線寬微盤激光器：（a）單模激光光譜，插圖：與錐形光纖耦合的微盤，其中標(biāo)尺為10μm。（b）激光輸出功率與下降到腔中的泵浦功率的關(guān)系顯示泵浦閾值為25μW。（c）檢測到的兩個(gè)獨(dú)立微激光器的拍頻信號(hào)的頻譜，指示322Hz的激光線寬。（d）實(shí)驗(yàn)多邊形模和模擬多邊形模的強(qiáng)度分布以及泵浦模和激光模的重疊為0.86。來源：Lin等人
正如《高級光子學(xué)》中所報(bào)道的，研究人員通過在泵浦和激光波長同時(shí)激發(fā)高Q多邊形模式來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。他們使用光刻輔助化學(xué)機(jī)械蝕刻（PLACE）以可控且經(jīng)濟(jì)高效的方式制造與微電極集成的LN微腔。微腔提供了一個(gè)超光滑的表面，使腔WGM具有超高的Q因子。
激光和偏振測量的實(shí)驗(yàn)裝置。使用可變光衰減器（VOA）調(diào)諧Z切割微盤的輸入功率。TM和TE分別表示橫向磁極化狀態(tài)和橫向電極化狀態(tài)。插圖：微盤（無電極）的SEM圖像和與Cr電極集成的微盤的光學(xué)顯微照片。
多邊形模式由錐形光纖的弱擾動(dòng)觸發(fā)的多個(gè)WGM相干組合。與WGM對應(yīng)模式相比，多邊形模式在光學(xué)增益帶寬內(nèi)是稀疏的，而它們的Q因子保持超高（例如約1000萬），導(dǎo)致線寬窄至322Hz的單頻激光。此外，由于LN的強(qiáng)線性電光系數(shù)，該系統(tǒng)提供了微激光波長的實(shí)時(shí)電光調(diào)諧；研究團(tuán)隊(duì)證明了該系統(tǒng)的高調(diào)諧效率 50pm/100V。
具有超高Q因子的相干多邊形模式的形成確保了在單LN微盤中實(shí)現(xiàn)單模窄線寬微激光器，這對于必須包含高相干激光源的微型光學(xué)系統(tǒng)具有重要意義。對LN襯底的強(qiáng)壓電、聲光和二階非線性特性的進(jìn)一步探索有望提高單模微盤激光器的性能和功能，從而繞過對異質(zhì)集成的需求。
（a）不同泵浦功率水平下微激光輸出功率的光譜。（b） 1546nm波長的方形激光模式的光學(xué)顯微照片。插圖：550nm波長（左）和泵浦光（右）周圍上轉(zhuǎn)換熒光方模的光學(xué)顯微照片。（c）上轉(zhuǎn)換熒光和泵浦光的光譜。插圖：與微盤耦合的錐形光纖的光學(xué)顯微照片。（d）激光光譜。（e）激光輸出功率與下降到腔中的泵浦功率的關(guān)系顯示泵浦閾值為25??μW。（f）在971.5-nm波長下用WGM泵浦時(shí)的多模激光光譜。插圖：上轉(zhuǎn)換熒光的光學(xué)顯微照片，沿光盤外圍顯示圓形圖案。
來源：Electro-optic tuning of a single-frequency ultranarrow linewidth microdisk laser, Advanced Photonics (2022). DOI: 10.1117/1.AP.4.3.036001
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