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1Institute of Physics, Swiss Federal Institute of Technology Lausanne (EPFL), CH-1015 Lausanne, Switzerland

2Institute of Electrical and Microengineering, Swiss Federal Institute of Technology Lausanne (EPFL),CH-1015 Lausanne, Switzerland

I. 引言
锁模激光器（MLLs）是通过锁定不同纵向模式的相位来生成强烈且超短的脉冲序列的光源[10, 11]。自其诞生以来，锁模激光器已经成为许多领域中不可或缺的工具，推动了材料加工、计量学[12]、生物成像[13]、眼科手术[1]、飞秒化学[2]和光学光谱学等方面的进展。近年来，科研人员投入了大量努力，致力于在光子集成电路（PICs）上开发超快脉冲源，旨在将桌面激光器的性能集成到紧凑的足迹中，并允许额外功能的集成。例如，已经在集成III-V族半导体激光器上实现了锁模，不论是单片集成[14, 15]，还是通过与硅或铌酸锂光子学的异质集成，利用半导体中的可饱和吸收[5, 16–18]或射频调制[6, 19]。通过外部半导体饱和吸收镜，低约束的掺铒平面光波导电路中也实现了锁模[4]。此外，Kerr微梳[20, 21]和电光频率梳[22]已经在芯片上生成飞秒脉冲。然而，所有现有的基于光子集成电路的超快源仍远未达到桌面锁模激光器的性能，尤其是在噪声、峰值功率、脉冲持续时间和脉冲能量方面。尤其是，现有工作的脉冲能量仍停留在皮焦耳级别，限制了其驱动芯片上非线性过程的能力，例如超连续谱生成，这是光学与射频之间自引用相干链路的基础[12]。

近期在高约束掺杂波导中的进展为提升脉冲能量提供了有前景的途径。掺铒硅氮（Er:Si3N4）[7]、掺铥铝氧化物（Tm:Al2O3）[23]和掺钛蓝宝石波导[24, 25]中高功率光放大器的演示突出显示了它们作为集成锁模激光器（MLLs）高效增益介质的潜力。这些低损耗的掺杂波导还支持在紧凑的芯片内形成亚米长的激光腔体，从而实现数百兆赫兹的低重复率，这对于在有限的平均功率下获得高脉冲能量至关重要。然而，使用这些活性波导还没有实现稳定的锁模，先前的先驱性演示仅限于Q开关操作[26, 27]。

为了克服当前集成锁模激光器的局限性，我们考虑了替代的锁模机制[28]。Mamyshev振荡器作为一种特别有前景的锁模方法脱颖而出[8, 9]，在基于光纤的激光器中可以实现创纪录的兆瓦级峰值功率[29]和数周期脉冲[30]。这一概念建立在Mamyshev再生器的基础上，最早由P.V. Mamyshev提出用于光信号再生在孤子传输中的应用，它利用自相位调制和光谱滤波产生非线性传输函数[31]。通过将两个此类再生器串联，可以形成Mamyshev振荡器腔体，包含一个非线性波导和两个光谱偏移的带通滤波器（图1(a)），这一方法最早在[32, 33]中得到展示。与传统的锁模方案不同，Mamyshev振荡器不需要物理的可饱和吸收器[8, 9]。锁模的形成来自于非线性展宽和光谱滤波的结合：低功率光被非重叠滤波器抑制，而高功率脉冲在非线性部分光谱展宽并通过两个滤波器，维持激光振荡。Mamyshev振荡器的一个关键优势是它对大范围腔内非线性相位移具有固有的容忍性，能够承受高达>60π的相位移[9]，而这在传统的锁模激光器中通常会导致脉冲破裂[34]。这一挑战在高约束集成波导中尤为突出，因为它们的有效非线性是光纤的三倍以上。此外，Mamyshev振荡器只需要两个关键组件：非线性波导和带通滤波器，而后者可以通过波导光栅（WBGs）简单地在芯片上实现。这消除了集成半导体饱和吸收器或设计人工吸收器的需求，显著降低了集成锁模激光器的复杂性。

在本研究中，我们展示了一种基于掺铒硅氮波导的光子集成Mamyshev振荡器，在芯片级锁模激光器中实现了创纪录的性能（详见附录S1）。该激光器生成相干的超快纳焦耳级脉冲，能够直接驱动色散工程Si3N4波导中的八倍带宽超连续谱，而无需增益放大。

II. 设计与制造
图1(a)展示了基于Mamyshev振荡器的集成锁模激光器（MLL）的工作原理。一段42厘米长的Er:Si3N4波导被放置在两个光谱偏移的波导光栅（WBGs）之间，形成一个简单的线性腔体，具有175.5 MHz的自由光谱范围。如图1(c)所示（详见附录S2），脉冲反射到一个光栅后，经过同时放大和自相位调制，光谱被展宽并弥合了WBGs之间的光谱间隙，最终实现稳定的锁模激光振荡。

图1. 基于Mamyshev振荡器的集成锁模激光器的原理与制造
(a) 集成Mamyshev振荡器的工作原理示意图，包含一个42厘米长的Er:Si3N4波导，夹在两个光谱偏移的波导光栅（WBGs）之间。
(b) 集成Mamyshev振荡器的示意图，显示了以螺旋方式排列的掺铒波导，以及带有集成微加热器的WBG，用于调节。
(c) 数值模拟的Mamyshev振荡器光谱，作为线性腔内传播路径长度l的函数。
(d) 制造的晶圆照片及包含26个独立MLL的芯片。蓝色框标示了WBG的位置。实验中使用的MLL样本的内部跟踪编号为D20602F8C2。
(e) 假彩色扫描电子显微镜（SEM）图像，显示了掺杂波导的横截面。
(f) 模拟的基模横向电场（TE）光学模式剖面和Si3N4波导中的铒浓度。
(g) 假彩色SEM图像，展示了波纹状的WBG。
(h) 两个WBG的反射光谱叠加图，显示了通带之间的光谱偏移。

为了在保持低光学损耗的同时最大化非线性相互作用（详见附录S3），我们采用了一种窄模Si3N4波导，横截面积为1.6 µm×0.35 µm（图1(e)）。这些器件通过4英寸晶圆级工艺制造，具体过程见方法部分。为了提供光学增益[35]，我们将铒离子植入波导中，使用最大植入能量为500 keV，总剂量为3.87×10¹⁵ cm⁻²。这导致估算的最大掺杂浓度约为0.4原子百分比，并且模式与掺杂物分布的重叠度为22%[35]（图1(f)）。图1(g)中的WBGs作为脉冲的窄带反射器，同时能够注入1480 nm的泵浦光并部分透射用于MLL输出。我们采用了调整过的光栅设计[36]，仅使用950个光栅周期来减少泵浦波长下的色散和包层模式散射损耗[37]，同时保持足够的反射率。制造的WBGs具有约5 nm的3 dB带宽，中心波长间隔为8.9 nm（图1(h)）。反射带设计在1557 nm附近，以最优地利用铒的增益带宽。微加热器被放置在WBGs上方，以便微调其反射波长（图1(b)）。

在原型制作中，26个独立的MLLs被放置在并行波导束中，并在一个2 cm × 1.1 cm的芯片上以螺旋布局共同布线（图1(d)），每个晶圆上可制造超过300个MLLs。

III. 锁模操作与表征
图2(a)展示了用于操作和表征集成锁模激光器（MLL）的实验装置（详见附录S4）。为了最大输出功率，MLL通过波导的两端使用两个非偏振的1480 nm激光（泵浦1和泵浦2）进行光学泵浦，分别提供959 mW和820 mW的光学功率。这些功率水平是通过商业化的单横模磷化铟激光二极管并经过偏振合并后轻松实现的。与基于光纤的Mamyshev振荡器[8, 9]类似，集成激光器使用外部MLL的单脉冲作为种子脉冲进行种植。种子脉冲经过滤波，以将其3 dB带宽限制为0.15 THz，并使用电光强度调制器进行门控。种植后，成功建立了自持续的锁模，不存在连续波背景或Q开关不稳定性，正如通过使用直流耦合快速光电探测器检测到的稳定脉冲序列所确认的（图2(c)）。虽然在演示中使用了外部种子，但我们也展示了可以通过使用外部反射器和调制器在腔体内生成Q开关脉冲来启动锁模，从而无需种子源（见附录S4和S5）。从两个波导输出（图2(f)）收集的光谱中心大约为1.56 µm，显示出64 nm和47 nm的20 dB带宽，覆盖了整个通信C波段并延伸至L波段。这对应于超过40,000条梳状线（光谱中未解析）。我们测得从线性腔体两端的平均输出功率分别为136 mW（输出1）和138 mW（输出2），考虑到耦合损耗后，相应的芯片上功率分别为182 mW和184 mW（见附录S6），泵浦到输出的效率为27.5%。在175.5 MHz的重复频率下，每个输出的脉冲能量达到了1.04 nJ和1.05 nJ，超过了以往报告的光子集成超快源两个数量级。对于功率受限的应用，也成功地使用仅由泵浦2提供的820 mW泵浦功率实现了稳定的锁模。在这种较低功率条件下，振荡器从输出1和输出2产生的芯片上脉冲能量分别为397 pJ和347 pJ，仍然大幅超过所有先前的集成超快源。如图2(g)中的频谱图所示，集成MLL在10小时以上的时间内保持了稳定的锁模状态，展示了锁模状态的稳健性和波导的长期完整性。设备工作时的照片见图2(b)。

图2. 光子集成Mamyshev振荡器的表征
(a) 集成MLL操作和表征的实验装置。集成Mamyshev振荡器通过WBGs使用1480 nm光泵浦，并由外部种子脉冲启动。光谱和时间特性通过光学光谱分析仪（OSA 1和OSA 2）、带示波器（OSC）的快速光电探测器（PD）以及强度自相关仪（AC）进行测量。ISO：隔离器；CIR：光路交换器；EDFA：掺铒光纤放大器。
(b) 集成MLL工作中的照片。
(c) 通过直接光电探测MLL输出获得的稳定脉冲序列。
(d) 经过优化线性啁啾压缩后的光强自相关曲线，使用可编程滤波器（脉冲整形器）和EDFA（路径A），或者通过约10米的单模硅光纤（SMF）（路径B）。
(e) 在不同群延迟色散补偿下自相关函数的演变。
(f) 在高泵浦功率下，在集成MLL两个输出端口获取的光谱。
(g) 在820 mW泵浦2泵浦下，持续记录10小时的输出1频谱图。

集成Mamyshev振荡器输出的脉冲主要是线性啁啾的，这与数值模拟一致（见附录S2）。为了表征脉冲，我们使用强度自相关仪，并结合可编程滤波器施加可变的群延迟色散，同时使用自制的EDFA补偿滤波器中的损耗。在扫描施加的色散时，脉冲经历压缩和再展宽（图2(e)），从而识别出脉冲压缩的最佳色散。此外，脉冲波形可以从色散扫描数据中计算重建（见附录S7）。通过优化的群延迟色散，输出1的脉冲强度自相关函数压缩到187 fs的全宽半最大值（图2(d)）。另外，使用约10 m长的单模光纤延迟线（包括设置中的其他组件）进行色散补偿，输出2的脉冲直接压缩到147 fs的自相关宽度。这样的色散补偿可以通过带啁啾的布拉格光栅[38]在Si3N4平台上轻松实现。

图3. 集成锁模激光器的相干性表征
(a) 通过直接光电探测进行重复频率拍频（frep）表征的示意图。ATT：衰减器；FLT：滤波器；AMP：放大器。
(b) 光电探测信号的光谱，显示了重复频率frep的多个谐波。
(c) 测得的frepf_{rep}拍频，信噪比（SNR）为105 dB，分辨带宽（RBW）为10 Hz。
(d) frep拍频的相位噪声，参考线对应0.1 mHz和0.01 mHz洛伦兹线宽。
(e) 集成MLL的外差拍频表征示意图，其中通过光纤布拉格光栅（FBG）预选择部分MLL光谱，并与参考连续波激光器干涉。
(f) 集成MLL与参考激光器之间的外差拍频光谱。星号表示由于平衡光电探测器（BPD）中共模抑制不完全而产生的残余frep谐波。
(g) 外差拍频的功率谱密度（PSD），中心频率为3.9796 GHz，分辨带宽为12.47 kHz。10 ms测量时间下的线宽为174 kHz。
(h) 外差拍频的频率噪声（g），显示集成MLL光学梳线的31.4 kHz洛伦兹线宽。

MLL与1552 nm连续波参考激光器之间的外差拍频（图3(f)）揭示了一系列均匀间隔的音调，表明测量期间频率梳稳定，载波包络偏移频率明确。为了量化单个梳线的线宽（图4(g)），我们使用电子信号分析仪（ESA）获取了下变频信号，并提取了其SSB频率噪声PSD（图3(h)）。通过拟合噪声底部在200 kHz偏移处，我们确定了洛伦兹线宽为31.4 kHz。观察到的10 kHz到100 kHz之间的杂散信号可能是由于1480 nm泵浦激光器的强度噪声引起的，而1 MHz到10 MHz之间的峰值可能归因于放松振荡。1 kHz到100 kHz偏移范围内的频率噪声保持在5 × 10⁴ Hz²/Hz以下，我们将其归因于腔体的大模式体积，因此热折射噪声较低[40]。

V. 在Si3N4波导中的直接超连续谱生成
高能量芯片内脉冲源的一个重要应用是实现完全集成的自引用光学频率梳，这需要生成宽光谱的光信号。作为概念验证，我们将集成MLL的输出通过约10米的单模光纤（SMF）传输，随后耦合到另一个芯片上的43.7毫米Si3N4螺旋波导中进行超连续谱生成（图4(a)）。这一光纤链路还提供了对啁啾MLL脉冲的色散补偿，将其压缩到千瓦级峰值功率。Si3N4螺旋波导（图4(b)）采用光子镶嵌工艺制造[35]，具有2.07 µm × 0.70 µm的横截面（图4(c)）。该波导在通信C波段附近具有相对平坦的集成色散，并在近可见波长处表现出色散波相位匹配（图4(e)）。在没有光学放大的情况下，MLL输出驱动了一个1.5倍倍频带的超连续谱，从736 nm扩展到2331 nm（图4(d)），对应于279 THz的带宽，并足以进行f–2f自引用。测得的光谱与数值模拟结果匹配（见附录S8），而在600 nm以下观察到的信号可能是由模态相位匹配的三次谐波生成引起的。

VI. 讨论与结论
我们展示了一种完全集成的Mamyshev振荡器架构的MLL，基于晶圆级制造的掺铒Si3N4光子芯片，能够生成纳焦耳级能量的超快脉冲。该激光器提供的脉冲可以被压缩到147 fs，并且与现有集成MLLs相比，展现出优异的相干性。通过使用低噪声泵浦源、通过制造优化降低波导损耗（见附录S9）以及优化腔体色散，可能进一步增强相干性。纳焦耳级的脉冲使得一系列芯片内非线性过程可以直接访问。作为概念验证，我们在一个单独的Si3N4波导中展示了1.5倍倍频带的超连续谱生成，且没有任何光学放大。在未来，这一超连续谱生成阶段可以与MLL芯片无缝地共同集成。目前，MLL需要外部脉冲源或扩展的Q开关臂来启动锁模。通过快速调制WBGs[41]，例如通过异质集成的锂铌酸盐中的Pockels效应，可能实现集成Mamyshev振荡器的自种子，从而生成类似的Q开关脉冲。尽管我们的演示基于硅氮波导并处于1.55 µm波段，Mamyshev振荡器的概念很容易转移到其他平台和波长。这里展示的高脉冲能量、优异的相干性和稳定的锁模为非线性集成光子学开辟了新的机会，包括用于光谱学的中红外超连续谱源[42]、用于无损检测的紧凑型太赫兹系统[43]以及用于光学原子钟的芯片级频率梳[44]。

方法学

样品制备工艺

本研究使用的掺铒晶圆（编号 D20603）采用减法工艺制备[45, 46]。制备从商业化的 4 英寸硅晶圆（SIEGERT WAFER GmbH）开始，先通过湿氧化生长 10 µm 厚的热氧化 SiO₂ 层。随后采用低压化学气相沉积（LPCVD）沉积 362 nm 厚的化学计量比 Si₃N₄ 膜，稍厚的沉积厚度用于补偿后续退火收缩，使最终厚度接近 350 nm。波导图案通过深紫外光刻（DUV）（ASML PAS5500/350C，JSR M108Y，Brewer Science DUV-42P）定义，随后在 SPTS APS 系统中采用基于氟的反应离子刻蚀（CHF₃、SF₆、Ar、O₂）实现。该刻蚀工艺优化了垂直侧壁，但孤立结构的关键尺寸每边收缩约 55 nm，因此在边缘耦合器设计和波导布拉格光栅参数校准中进行了补偿。

去胶后，通过RIE去除背面Si₃N₄（双面LPCVD），前面用光刻胶保护。随后进行了兆声波清洗，以去除蚀刻后晶圆表面的颗粒污染。晶圆在氮气环境中于1200 ℃退火12小时。退火前去除背面Si₃N₄至关重要，因为350 nm薄膜具有足够的内应力，会导致塑性形变和永久翘曲（可达170 µm），从而影响后续工艺。

接着晶圆经过标准紫外直写光刻（Heidelberg MLA150，6 µm AZ 15nXT），以定义离子注入掩膜，保护波导布拉格光栅和边缘耦合器免受损伤。掺铒离子注入，采用500 kV空气绝缘注入机。单电荷离子从间接加热阴极 Bernas 型离子源中提取，40 kV加速系统初始加速，随后后加速到最高500 keV。离子通过分析磁铁按荷质比分离，经四极透镜和Einzel透镜引导进入传输线，并通过中和阱去除中性粒子。为了保证辐照均匀性，离子束在X和Y方向以约1 kHz频率扫描，且两个方向频率略有偏移以提高均匀性。离子注入在三个不同能量下依次进行，以形成跨膜厚度的掺杂分布：125 keV（剂量8.40 × 10¹⁴ cm⁻²）、253 keV（剂量1.41 × 10¹⁵ cm⁻²）、500 keV（剂量2.84 × 10¹⁵ cm⁻²）。所有注入均在室温、0°入射角下进行。

离子注入后，通过氧等离子体去除光刻胶，随后使用浓盐酸清洗以去除氧化铒残留，并用稀HF清除溅射物。晶圆随后在氮气中于900 ℃退火1小时，以修复Si₃N₄波导的辐照损伤。之后使用电感耦合等离子体化学气相沉积（ICPCVD）沉积约6 µm的SiO₂包层，前驱体为SiCl₄[47]。再于600 ℃氧气环境退火1小时，以降低包层工艺引入的光学损耗。

金属微加热器通过溅射沉积约25 nm Ti和约500 nm Pt制备，随后采用紫外光刻（Heidelberg MLA150，2 µm AZ 10nXT）和离子束刻蚀（Veeco IBE350）成型。为减少刻蚀过程中溅射残留造成的“围栏效应”，光刻胶在135 ℃回流。芯片分割采用紫外光刻（Heidelberg MLA150，10 µm AZ 15nXT）定义，随后进行SiO₂深RIE刻蚀和约250 µm的Si刻蚀，最后通过背面研磨将芯片减薄至约250 µm。成品芯片在310 ℃热台上退火过夜，以修复由强等离子体辐射引起的UV曝光损伤，否则会增加波导光学损耗[45]。

超连续谱演示样品

用于超连续谱生成演示的色散工程Si₃N₄样品（编号 D7803）采用光子镶嵌工艺制备，具体方法见文献[35]。