撰稿|郑江坡
基于掺铒铌酸锂(LNOI)的微腔激光器是LNOI集成光子学的关键器件，近年来引起了人们的广泛关注。近日，南开大学弱光非线性光子学重点实验室的许京军教授团队、张国权教授团队、孔勇发教授团队与薄方教授团队报道了在980 nm连续激光器的泵浦下，利用游标效应（名词解释：Vernier effect）在两个不同半径的掺铒LNOI微环中实现了c波段单模激光器。该激光器能够在较大的泵浦功率范围内稳定工作，且具有约200μW的泵浦阈值和超过26dB的侧模抑制比。作者相信，所提出的高性能LNOI单模激光器将极大的推动铌酸锂集成光子学的发展。相关成果以“Integrated lithium niobate single-mode lasers by the Vernier effect”为题于2021年7月30日在物理期刊《SCIENCECHINA-Physics, Mechanics & Astronomy》上发表。
文章作者：Ru Zhang , Chen Yang , ZhenZhong Hao , Di Jia , Qiang Luo , DaHuai Zheng , HongDe Liu, XuanYi Yu1 , Feng Gao , Fang Bo, YongFa Kong, GuoQuan Zhang, and JingJun Xu
近年来，铌酸锂（LN）集成光学器件引起了人们的广泛关注。这一方面是由于LN具有良好的光学性能，如宽透明窗口，低本征吸收，非凡的二阶非线性，电光/声光效应和显著的光折变，压电，热释电效应等。另一方面，与传统的通过质子交换或钛内扩散制造的LN器件相比，绝缘体(LNOI)上铌酸锂材料的出现在时间和空间上改善了光学限制。此外，LNOI的商业化也促进了集成LN器件的发展。近年来，在LNOI上制作了大量的无源集成光学器件，如非线性变频器、光参量振荡器、电光/声光调制器、模式转换器等都得到了优异的性能。虽然基于掺铒LNOI的激光器和放大器的报道，极大地促进了基于LN的有源器件的研究。然而，它们的集成和性能还需要进一步改进。
作为一种典型的微激光，基于微球、微瓶、微盘和微环的回音壁模式(WGM)微腔（名词解释：whisperinggallery mode microcavity）激光器得到了广泛的研究。与分布式反馈(DFB)激光器、量子阱激光器和垂直腔表面发射激光器(VCSEL)相比，WGM微腔激光器通过全内反射表现出较高的模态约束和较高的质量(Q)因子，因此具有较低的激光阈值。通过集成，与总线波导集成的环腔具有更好的性能。然后，大多数的LNOI微光腔激光器是通过多模运算，这对光通信和非线性光学研究等应用是不利的。
有几种方法可以实现单模激光器。一是将光泵的空间轮廓塑造成激光腔，另一种方法是将高阶激光模式与失模模式配对以抑制高阶激光模式，从而获得单模激光器。使用奇偶时间对称来实现模式选择也具备可行性。此外，提高WGM微腔的自由光谱范围(名词解释free spectral range，FSR)是不失为一种理想的的解决方案，这是因为WGM的FSR与谐振腔的大小成反比。为了实现大的FSR，通常需要一个半径为几微米的腔体，这不可避免地增加了光损耗，使激光Q因子降低，最终使泵浦阈值增大。而解决这个问题的一种有效的替代方法是利用不同半径的多个谐振器，通过游标效应提高系统的FSR。
在本研究中，研究者设计并制造了一个具有两个耦合环谐振器的LNOI光子分子，其FSR约为11nm。利用所制备的器件，获得了一个1531.1nm的单模激光器，在980nm连续激光器的泵浦下，输出稳定，侧模抑制比为26.3dB(SMSR)。该激光器可以与芯片上的各种功能LNOI器件灵活集成。
在掺杂量为0.1mol%的掺铒z切LNOI晶片上制备了掺铒微环谐振器。为了在接近1532nm的两个环谐振器中同时实现共振，铒离子(Er3+)辐射最强，研究团队将较大谐振器的半径固定在100μm，将较小谐振器的半径固定在85μm附近，并利用二维轴对称模型计算了这两个谐振腔中基本横向电模的谐振波长。如下图所示。
图1 (a)LNOI光子分子示意图。R1(2)是环形谐振器1(2）的环形半径。芯片端口被标记为端口1、端口2、端口3和端口4；(b)环状谐振器谐振波长的数值模拟结果。黑色虚线框表示这两个环状谐振器具有相同的谐振波长；(c)制备的具有耦合波导LNOI光子分子的扫描电镜图像；(d)由(c)中间的白色方框的放大视图；(e)总线波导端面的扫描电镜图像。
为了表征LNOI光子分子在1532nm附近的线性光学特性，研究者使用了1550nm波段内的可调谐激光器作为光源。下图显示了具体的实验装置。
图2 测量LNOI光子分子透射和激光性能的实验装置。VOA：可变光衰减器；OC：光耦合器；PC：偏振控制器；PM：功率计；PD：光电探测器；OSA：光谱分析仪；OSC：示波器。红线表示光纤，黑线表示电线。
图3 (a)掺铒LNOI光子分子在1550 nm波段的透射光谱。蓝色和红色线分别表示从端口1到端口2和从端口3到端口2观测到的透射光谱；(b) (a)中虚线标记的模式的透射光谱显示了由于两个环之间的耦合而导致的模式分裂。
图4 (a)不同泵浦功率下掺铒LNOI光子分子在1500-1600nm范围内的单模激光信号；(b)信号灯在不同泵浦功率下的功率(蓝色空心框)和线宽(红色空心圆)；(c)在泵浦功率约为900μW时，观察到高侧模抑制比激光信号。
综上所述，研究团队在掺铒LNOI上制备了光子分子，并利用游标效应实现了980 nm激光泵浦稳定c波段单模激光器。激光激光阈值约为200μW。当泵浦功率为900μW时，单模激光器的SMSR达到约26.3dB。在未来的研究中，研究团队将把电极整合到光子分子中，因此，可以通过电光或热光调制来实现可调谐单模激光器，更便于实际应用。作者相信，所提出的高性能LNOI单模激光器将极大的推动铌酸锂集成光子学的发展。
https://link.springer.com/article/10.1007/s11433-021-1749-x
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