#离子注入铒 #氮化硅光波导 #光子集成线路
摘要
飞秒激光器支撑着广泛的应用，包括追踪化学反应动力学[1]、材料加工[2]和角膜手术[3]。它们的规则脉冲序列形成光学频率梳，革新了计时[4]、光谱学[5]、距离测量[6]和时间传递[7]等众多应用。片上光学频率梳已经实现，例如通过克尔介质中的参量相互作用[8]，并且凭借其高重复率，已将应用扩展到光通信[9]、微波光子学[10-12]和神经形态计算[13]等领域。然而，迄今为止，只有飞秒激光器（例如基于稀土掺杂光纤的激光器）能够获得低重复率（即从100 MHz到1 GHz），从而促进高峰值强度，而集成芯片级超快源目前的重复率高出几个数量级，通常远超10 GHz。在此，我们展示了一种基于色散管理锁模架构的自启动光子集成锁模激光器，该激光器进入了这一参数区域。该激光器结合了铒注入的Si₃N₄增益波导、集成啁啾布拉格光栅和半导体可饱和吸收镜。它产生的光脉冲具有0.5至1.2 GHz的重复率，脉冲持续时间短至300 fs，锁模阈值低至27.3 mW。输出形成被动稳定的光学频率梳，测量的梳线漂移小于重复率的1%，比商用基于光纤的锁模激光器的稳定性高出两个数量级。利用该平台的超低阈值，我们通过将激光器与电信级980 nm III-V泵浦二极管芯片共同封装在一个紧凑光子模块中，实现了完全的混合集成。由此产生的集成电输入/光输出模块提供即用型、稳定的锁模脉冲，为光学计量和精密传感中的现场可部署应用提供了一个紧凑、低功耗、抗振且与代工厂兼容的平台。
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文章名：A fully integrated dispersion-managed femtosecond mode-locked laser
作者：Xurong Li¹,²∗，Xuan Yang¹,²∗，Zheru Qiu¹,²∗，Jiale Sun¹,²∗，Xinru Ji¹,²，Jianqi Hu¹,²，Grigorii Likhachev¹,²,³，Yichi Zhang¹,²，Ulrich Kentsch⁴，and Tobias J. Kippenberg¹,²†
机构：1Institute of Physics, Swiss Federal Institute of Technology Lausanne (EPFL), CH-1015 Lausanne, Switzerland
2Institute of Electrical and Micro Engineering, Swiss Federal Institute of Technology Lausanne (EPFL), CH-1015 Lausanne, Switzerland
3EDWATEC SA, CH-1015 Lausanne, Switzerland
4Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), 01328 Dresden, Germany
∗：这些作者贡献相同。
引言
光学频率梳已经革新了众多应用，包括高精度光学时钟[4]、超稳定微波生成[14]、光谱学[5]和天文光谱仪校准[15]。迄今为止，领先的OFC平台是基于光纤的飞秒锁模激光器，具有稀土增益，几乎用于所有OFC应用[16]。已经出现了多种产生基于光纤的飞秒脉冲的无源锁模技术，如非线性环形镜[17]、非线性偏振演化[18]和半导体可饱和吸收镜[19]。通常，这些激光器在100 MHz至1 GHz的重复率区域工作[20,21]，产生密集的梳状光谱，非常适合高分辨率光谱学[22]。脉冲间隔和脉冲持续时间的大比例也提供了驱动非线性过程所需的高峰值功率，如超连续谱生成[23]或太赫兹波发射[24]。将这些源转换到光子集成电路上有望在尺寸、重量、功耗和成本至关重要的应用中扩展OFC的部署，但迄今为止仍难以实现。
基于PIC的频率梳生成器已取得重大进展，最著名的是耗散克尔孤子微梳[8]。它们通常产生重复率从数十GHz到THz范围的频率梳，实现了众多系统级应用，包括大规模可扩展光子数据链路[9]、天体物理光谱仪校准[25]、神经形态计算[13]或低噪声微波振荡器[10-12]。如果也能用基于光子集成电路的频率梳访问经典的较低重复率，那将是理想的。例如，高分辨率光谱学需要精细梳间距以实现精密气体传感的多普勒限制分辨率[5]。此外，降低重复率是生成高峰值功率超短脉冲的关键策略，这对于非线性拉曼光谱[26]、双光子显微镜[27]、太赫兹波发射[24]、超连续谱生成[28]和自参考频率梳[29]是必需的。具体来说，频率梳的自参考需要倍频程跨度超连续谱生成——这是一个严格由峰值功率门控的过程，峰值功率是脉冲能量和持续时间的函数[30]。为了在不超出集成平台平均功率限制的情况下达到这些非线性阈值，必须显著降低重复率以获得高脉冲能量（E_pulse = P_avg/f_rep），而短脉冲持续时间进一步增强了峰值功率（P_peak ≈ E_pulse/τ_pulse）。
然而，在芯片上获得≲1 GHz区域的重复率仍然是一个艰巨的挑战。对于DKS微梳，降低重复率导致泵浦到梳功率转换效率急剧下降[31]，并且由于更大的模式体积和有限的品质因数，参量振荡阈值（∼V/Q²）增加[32]。类似地，对于EO梳，降低重复率通常会损害梳带宽、器件占地面积和功耗[33]。此外，在PIC的高约束波导中，与低重复率脉冲相关的高峰值功率可能触发极端克尔非线性，导致脉冲失稳和时间分裂[34]。
理想的解决方案是将稀土掺杂光纤MLL的成功转化为PIC领域。稀土离子提供了支持飞秒脉冲生成所需的宽增益带宽，同时由于其毫秒级上能级寿命而提供高增益和低噪声[35]。此外，它们对温度不敏感，可由低成本III-V泵浦激光器光泵浦，并且与离子注入兼容[36]。在芯片上实现这样的源不仅将继承这些材料优势，还将释放光子集成的变革性优势，包括晶圆级可制造性和无缝集成先进功能如单片压电致动器[37]、高速片上调制器[38]或双梳架构[39]。铒掺杂二氧化硅波导MLL的开创性演示标志着朝着这一目标的重要里程碑[40]。然而，它们的弱导引性质导致有效模式面积与标准光纤相当，限制了集成密度并要求厘米尺度占地面积。此外，这些弥散二氧化硅通道与高度约束的III-V泵浦二极管芯片刻面之间巨大的模场直径失配从根本上排除了泵浦激光器与MLL腔的紧凑芯片级混合集成[41]。为了减小系统占地面积，最近的努力已转向高约束稀土掺杂波导平台。然而，这些架构大多局限于Q开关[42]或不稳定的Q开关锁模[43]。这种限制源于过度的波导非线性，其中高非线性折射率和紧光约束的结合触发了严重的脉冲分裂和不稳定性[34]。其他集成技术，包括III-V半导体MLL[44]和LiNbO₃ PIC上的有源MLL[45]，同样难以同时实现≲1 GHz区域的重复率和飞秒脉冲持续时间。最近，光子集成Mamyshev振荡器取得了重大突破[46]，它利用自相位调制和光谱滤波实现了稳定的锁模以及纳焦耳级脉冲能量。尽管有这一令人印象深刻的性能，高工作阈值使其与直接的芯片级泵浦集成不兼容[41]。因为它依赖于高功率外部光泵浦，将此类系统转化为完全自主、自包含的微封装仍然是一个艰巨的挑战。
在此，我们展示了一种在铒掺杂氮化硅平台上基于光子集成电路的自启动锁模激光器，通过色散管理锁模架构克服了脉冲分裂极限[47]。通过在Er:Si₃N₄波导中集成啁啾布拉格光栅[48]，我们创建了一个腔体，其中光脉冲周期性地拉伸和压缩，降低了有效非线性并抑制了脉冲分裂。该PIC-MLL在0.5至1.2 GHz的重复率下工作，这是片上非线性OFC生成器难以达到的区域，并产生短至300 fs的稳定脉冲。该器件表现出即用型操作，锁模阈值低至27.3 mW，并具有卓越的梳线稳定性，比最先进的商用光纤激光器高出两个数量级。凭借如此高的功率效率，我们通过将PIC-MLL与980 nm III-V泵浦二极管芯片直接共同封装在光子模块中，实现了完全封装的混合集成系统，提供了紧凑的电输入/光输出超快源。
色散管理腔体设计与实现
我们的PIC-MLL旨在利用片上增益、可饱和吸收和定制色散之间的相互作用（图1b）。该腔体包含三个主要功能模块：Er:Si₃N₄增益波导、用于锁模启动的端面耦合SESAM，以及集成CBG。为了克服脉冲分裂极限，我们采用色散管理方案，其中高约束增益波导提供正常色散，而CBG提供集中的反常色散。这种配置迫使脉冲周期性地拉伸和压缩，降低有效峰值功率并抑制非线性不稳定性。选择SESAM作为锁模启动器，因为其商业成熟度和广泛可调参数，如调制深度和恢复时间[19]（见补充信息S3）。
我们使用基于非线性薛定谔方程的数值模型验证了色散管理架构，通过分步傅里叶方法求解[49]（见补充信息S4）。我们的模拟捕获了完整的激光动力学，从随机噪声的演化到约100次往返内的稳态锁模脉冲（见补充信息S7）。结果揭示了拉伸脉冲操作的标志性特征：瞬时频率啁啾在每个腔往返期间交替符号（图1h），腔内脉冲表现出特征性的sech²类分布（图1f）。重要的是，交替色散设计抑制了与色散波的相位匹配耦合，导致非常弱的Kelly边带。我们的稳定性分析进一步表明，该器件在超过连续波锁模稳定性阈值407倍的脉冲能量下工作，确保了对Q开关不稳定性的卓越免疫性[50]。
PIC-MLL在商用200 nm Si₃N₄ PIC平台上使用晶圆级铒离子注入工艺制造[51]（见补充信息S5）。每个5×5 mm²芯片包含一束12个并行MLL，线性腔长约7 cm（图1a），对应1.2 GHz的重复率。单个芯片的尺寸可以进一步缩小到0.5 mm×2.5 mm，仅容纳一个MLL并增强制造的可扩展性（见补充信息S8L）。增益介质由Er:Si₃N₄单模波导组成，横截面1.6 µm×200 nm，提供超过1 dB/cm的片上光学增益。CBG同时充当高反射镜、输出耦合器、泵浦注入器和色散补偿器。为确保稳定锁模，CBG采用高斯切趾波纹以最小化群延迟振荡[52]。通过片上辅助法布里-珀罗腔测量的群延迟色散使用频率梳辅助光谱[53]得到−0.226 ps²的值（图1d），与我们的数值设计极好一致，确认了对腔净反常色散的精确控制（见补充信息S2）。
锁模激光器操作与表征
我们的PIC-MLL在简单设置中运行，仅需三个组件：泵浦激光器、基于光纤的波分复用器和SESAM（图2a；见补充信息S6）。输入和输出共享同一片上端口，输出通过WDM的1550 nm端口收集用于表征。激光器产生稳定脉冲序列，无Q开关证据（图2c），在电频谱分析仪上分辨出超过1.2 GHz重复率的十个谐波（图2i）。光学谱显示以1551 nm为中心、1.14 THz（9.5 nm）的3-dB带宽，对应超过950条梳线（图2g,h）。PIC-MLL在片上泵浦功率221.1 mW下提供29.3 mW的片上功率和24.4 pJ的脉冲能量（见补充信息S8）。由于输出脉冲强烈啁啾，其变换限制持续时间通过强度自相关器与可编程脉冲整形器用于GDD控制和EDFA补偿插入损耗来恢复（图2d）。脉冲整形器中的色散补偿等效于光纤中的线性脉冲压缩，可用于确定脉冲去啁啾的光纤长度。压缩后，测量的最短半高全宽持续时间为424.7 fs，对应300 fs高斯型脉冲（图2e,f）。
超低阈值和混合集成锁模激光器
我们通过将泵浦回收光栅集成到PIC-MLL架构中，实现了稳定锁模的超低泵浦阈值（图3a）。这些泵浦回收光栅基于相同的CBG原理设计，在泵浦波长（1480 nm）提供高反射率，同时确保对1550 nm信号的畸变最小（见补充信息S2）。它们通过两种机制降低锁模阈值：(i) 沿Er:Si₃N₄波导重新分布1480 nm泵浦功率以增强铒离子反转和光学增益；(ii) 抑制入射到SESAM的残余1480 nm光，从而防止其调制深度被持续耗尽以用于1550 nm脉冲的锁相。通过这种方法，在片上泵浦功率低至27.3 mW时启动稳定锁模（图3b），在19个连续功率开关周期中表现出鲁棒的即用型操作（图3c）。
这种超低锁模阈值重新定义了超快源系统级集成的边界，实现了两种操作模式。第一种方法利用远程光泵浦，其中PIC-MLL和SESAM共同封装在光子外壳中，泵浦光通过光纤传输。作为概念验证原型，我们开发了一个便携系统，占用紧凑的15×15 cm²面包板占地面积。该装置集成了封装的MLL、商用泵浦二极管和控制驱动器，仅需四节标准AA电池即可供电（见补充信息S9）。
此外，该平台卓越的功率效率使得泵浦激光器与PIC-MLL的混合集成成为可能，完全消除了外部光学基础设施，实现了完全自包含的电输入/光输出模块。980 nm III-V泵浦二极管芯片直接端面耦合到PIC-MLL的泵浦端口。为防止腔失稳，我们设计了级联四级980/1550 nm集成WDM，确保高效980 nm泵浦注入，同时抑制二极管发射刻面处的1550 nm信号背反射（见补充信息S9）。与1480 nm激发相比，980 nm泵浦在Er:Si₃N₄波导中提供更高的增益效率。即使在单次通过配置中也能实现稳健的粒子数反转，同时利用成熟的电信级二极管技术。泵浦二极管芯片、PIC-MLL芯片、SESAM和单模输出光纤共同封装在一个紧凑光子模块中（图4a–c）。仅由电力驱动，完全集成的MLL表现出高度可重复的即用型锁模（图4d–f），并保持连续运行超过140分钟（图4g）。这种操作自主性展示了我们PIC-MLL架构的紧凑性和现场就绪性。
被动稳定光学频率梳
MLL的飞秒脉冲序列对应于光谱域中的频率梳。单个梳齿在高分辨率光谱分析仪上直接分辨（图3e），显示出精确匹配1.2 GHz重复率的频率间隔。梳的性质通过与相位锁定到完全稳定光学频率梳的连续波参考激光器的外差拍频进一步验证（图5a–c）。PIC-MLL表现出卓越的梳线被动稳定性：在连续2小时外差测量期间，梳线漂移的标准偏差保持在重复率的1%以下（图5f,i）。这种被动稳定性是光子集成的固有特征，而非特定腔长的伪影，0.5 GHz PIC-MLL中测量的相同梳线稳定性证明了这一点（图5e）。
与此形成鲜明对比的是，高端商用光纤MLL（Menlo ELMO）在相同环境条件下仅1小时内漂移超过其重复率的33倍，在激光制造商建议的30分钟预热时间后漂移超过其重复率的8倍（图5d,i）。通过同时记录PIC-MLL的重复率，我们可以直接推断载波包络偏移频率的漂移，在2小时测量窗口内保持在重复率的三分之一以下。Allan偏差分析进一步确认了我们集成平台的卓越梳线稳定性，在1000 s平均时间下显示梳线漂移比商用光纤MLL低两个数量级以上（图5h）。基于光纤的MLL通常没有锁定机制来稳定梳线[54]。对于PIC-MLL，卓越的梳线稳定性源于片上CBG的固定峰值反射频率，类似于光纤布拉格光栅稳定激光器[55]。
PIC-MLL还表现出窄而均匀的光学线宽。在六个不同波长处的频率噪声表征显示，在10 kHz和100 kHz频率偏移下，变化分别仅为8.6%和12.3%，跨越超过1,500条单个梳线（图5k）。通过拟合8 MHz偏移附近的噪声基底，我们估计本征洛伦兹线宽为3.6 kHz。此外，在1.2 GHz基频重复率处光电检测信号的单边带相位噪声在10 kHz偏移处降至−113.5 dBc/Hz（图5j），产生46.9 fs的积分时间抖动（从10 kHz到10 MHz积分）。提取的重复率信号基频线宽为0.4 mHz（从10–100 kHz外推）。这代表了比最先进的异质集成III-V MLL[56]降低三个数量级，并与高功率光子集成Mamyshev振荡器实现的基频线宽相当[46]。
讨论
我们展示了一种基于Er:Si₃N₄ PIC平台的自启动混合集成飞秒锁模激光器。通过采用色散管理架构，我们的器件克服了高约束波导固有的基本脉冲分裂极限，在光子芯片上实现了稳定锁模。测量的梳线稳定性比高端商用光纤MLL优越两个数量级，证明集成MLL在被动稳定性方面可以超越台式标准。此外，我们的PIC-MLL实现了超过所有报道的集成半导体MLL的相干性水平，同时在1 GHz重复率区域提供飞秒脉冲（见补充信息S1进行全面比较）。目前，重复率稳定性仍受限于Gordon-Haus抖动——在净反常色散区域内中心频率涨落与时间抖动的耦合[54]。要达到下一层级的稳定性，该架构的未来设计可以色散工程化到更接近近零色散区域。这种转变不仅将抑制Gordon-Haus耦合，还将支持更宽的光学带宽和更短的脉冲持续时间。
我们PIC-MLL的超低锁模阈值重新定义了系统级集成的可能性。虽然替代的最先进架构，如集成Mamyshev振荡器，提供了令人印象深刻的脉冲能量，但其高锁模阈值需要庞大、高功率的外部泵浦系统，限制了其在光学平台上的操作[46]。相比之下，我们色散管理腔的低功率操作使得与商用980 nm III-V泵浦二极管芯片的混合集成成为可能。这将PIC-MLL从依赖外部光学基础设施的无源光子芯片推进为完全自主、即用型和现场可部署的模块。
展望未来，这里展示的物理架构高度可扩展，并与先进的批量制造兼容。虽然SESAM目前是端面耦合的，但通过光栅耦合器的面内集成是可行的[57]，支持转移印刷[56]或直接晶圆键合[58]等未来方法。或者，片上人工可饱和吸收体，如非线性放大环形镜[17]和非线性干涉仪[43]，也可以在此架构内适应以启动无源锁模，实现完全单片腔体设计。此外，直接在波导腔和光栅上方集成单片压电致动器[37]将促进重复率和载波包络偏移频率的主动稳定。最后，由于这种色散管理方案与波长无关，它可以轻松扩展到其他稀土掺杂PIC平台，如镱（1 µm）、钕（1.33 µm）和铥（2 µm）。
通过成功地将即用型飞秒脉冲生成、千兆赫兹重复率和超低阈值与卓越的被动梳稳定性、晶圆级可制造性和完全混合泵浦集成相结合，该平台在将台式超快激光器转化为实际部署方面具有独特优势。我们预计这些自包含的电输入/光输出超快模块将催化在多个领域的广泛应用，包括LiDAR传感[6]、高速双梳光谱[39]、便携式太赫兹系统[59]和下一代光学原子钟[60]。
*图注*
图1. 基于色散管理架构的自启动光子集成飞秒锁模激光器。a，4英寸晶圆上光子集成MLL的照片（左）和包含12个独立MLL的5×5 mm²芯片（右）。b，光子集成MLL的示意图。啁啾布拉格光栅同时充当腔镜、输出耦合器、泵浦注入器和色散补偿器。Er:Si₃N₄波导为MLL提供增益。SESAM端面耦合到MLL芯片作为锁模启动器。c，CBG部分的伪彩色扫描电子显微镜图像。d，CBG反射、透射和群延迟色散的模拟和测量谱。反射和透射谱均归一化到透射响应的最大值。CBG有3000个周期，中心波导宽度1.2 µm，最大波导宽度波纹150 nm。从CBG短周期侧入射的光经历负GDD。e，法布里-珀罗腔的测量和拟合积分色散，由一对相同但反向取向的CBG组成。f，模拟的腔内和输出光脉冲谱，以及CBG的透射响应。g,h，稳定锁模期间一个腔往返中腔内脉冲(f)及其瞬时频率(g)的演化。
图2. 光子集成色散管理锁模激光器的表征。 a，MLL操作和表征的实验装置示意图。OSA：光谱分析仪；OSC：示波器；ESA：电频谱分析仪。b，运行中MLL的照片。c，在376 mW片上泵浦功率下由5 GHz光电探测器和OSC测量的稳定脉冲序列。d，测量变换限制脉冲宽度的实验装置示意图。e，自相关函数作为脉冲整形器提供的GDD的函数。f，最短脉冲宽度处的自相关函数。测量的424.7 fs FWHM脉冲宽度（类高斯脉冲的自相关）指示300 fs脉冲宽度。g,h，MLL输出的对数刻度和线性刻度光学谱。片上输出和泵浦功率分别为22.5 mW和376 mW。i，由ESA测量的光电检测信号的微波谱，显示重复率（1.2 GHz）的多个谐波。分辨率带宽为100 kHz，视频带宽为10 kHz。器件ID：D215_02_F1_C1和D215_02_F2_C1。
图3. 超低阈值光子集成锁模激光器。 a，具有泵浦回收光栅的超低阈值MLL示意图，泵浦回收光栅将残余泵浦光反射回Er:Si₃N₄波导并将信号光透射到SESAM。b，泵浦功率上升期间MLL的片上输出功率作为片上泵浦功率的函数。MLL在27.3 mW泵浦功率下进入稳定锁模状态。c，19次连续开关测试中即用型性能的测量光学谱图。d，由常规OSA测量的MLL归一化光学谱。e，由高分辨率OSA（WaveAnalyzer 1500s）测量的MLL归一化光学谱，揭示具有1.2 GHz频率间隔的梳线。器件ID：D215_02_F8_C8。
图4. 完全封装混合集成PIC-MLL系统及性能表征。 混合集成平台配置为三端口架构。980 nm III-V泵浦二极管芯片端面耦合到泵浦端口以进行直接电光功率转换。SESAM集成在第二端口以启动无源锁模，而第三端口尾纤耦合到单模光纤以提取光学输出。a，封装前独立PIC-MLL芯片的照片。b，光子模块内完全封装PIC-MLL系统的照片。c，混合集成的放大视图。d，混合集成PIC-MLL的输出光学谱。e，示波器记录的稳态时间脉冲序列。f，15次连续即用型功率开关周期的测量谱图。g，140分钟期间连续监测的输出光学谱。器件ID：D252_04_F9_C4。
图5. PIC-MLL生成的被动稳定光学频率梳。 a，PIC-MLL光学外差拍频和重复率测量的实验装置。参考激光器（Toptica CTL）相位锁定到完全稳定的光学频率梳（Menlo FC1500-ULN nova）。OPLL：光学锁相环；BPD：平衡光电探测器。b，外差拍频的示意图。c，PIC-MLL在1559.424 nm处外差拍频的测量谱。d–f，商用光纤MLL（Menlo ELMO）（d）、0.5 GHz PIC-MLL（e）和1.2 GHz PIC-MLL（f）相对于参考激光器2小时的外差拍频谱图。插图显示放大的1分钟谱图。g，同时记录的PIC-MLL重复率（1.2 GHz）和推断的f_ceo。我们假设参考激光器的频率更接近左侧梳线。h，PIC-MLL和商用光纤MLL的梳线漂移和梳线数缩放重复率的Allan偏差。i，总梳线漂移。左插图：1.2 GHz PIC-MLL的放大图。右插图：PIC-MLL梳线漂移2小时的直方图分布。标准偏差为8.0 MHz，仅对应重复率的0.67%，展示了频率梳卓越的被动稳定性。j，未封装和混合集成PIC-MLL（1.2 GHz）重复率信号的相位噪声，参考线对应0.4 mHz和3 mHz基频线宽。插图：实验装置示意图。FLT：滤波器；AMP：放大器；PNA：相位噪声分析仪。k，1.2 GHz PIC-MLL不同梳线处外差拍频的频率噪声，指示3.6 kHz本征线宽。器件ID：D215_02_F1_C8，D215_02_F8_C8，D249_04_F4_C2和D252_04_F9_C4。
