首台芯片级的掺钛蓝宝石激光器

耶鲁大学的一个研究小组已经开发出了第一个芯片级的掺钛蓝宝石激光器。在Hong Tan教授的领导下，这一实验性突破可能为原子钟、量子技术和基于光谱学的研究工作的新创新铺平道路。

钛蓝宝石（Ti:Sa）激光器自1982年问世以来，已被广泛用于化学、物理学和生物学。商业化的Ti:Sa系统提供从红色到近红外的450 nm左右的波长调谐，线宽很窄。通过利用单个晶体，可以实现从650 nm到1100 nm左右的发光。由于Ti:Sa晶体的宽带增益，它还能够产生飞秒脉宽的锁模脉冲。

Ti:Sa激光器产生低噪声辐射，光束具有高模式质量。这些特点有利于新兴的量子技术产业解决光子量子比特和原子量子平台。

自由空间 Ti:Sa 激光器的缺点

由于增益介质的特殊特性，Ti:Sa 激光器有别于其他激光技术，如半导体激光器、激光二极管和气体激光器。然而，商业制造的 Ti:Sa 激光器是昂贵且复杂的系统，包括参考锁定腔、复杂的激光腔设计和高维护泵浦激发激光器，所有这些都由大型自由空间组件制成。 Ti:Sa 激光阈值也高于其他激光器，因为增益介质的激发态寿命短暂、发出荧光的离子浓度低，以及晶体形成过程中的正常残余吸收。

制造紧凑型 Ti:Sa 激光器的研究工作

已经有多项研究努力使 Ti:Sa 激光系统紧凑。Ti:Sa微纤维、耳语廊晶体以及通过热扩散和脉冲激光沉积形成的薄膜都已用于减小Ti:Sa激光器的尺寸。然而，由于低折射率差异和光学限制，光学模式一直是有效控制的挑战。结果，大量的辐射损失阻碍了用于运行Ti:Sa 激光器的小型光子集成电路的创建。

芯片级 Ti:Sa 激光器

耶鲁大学的研究团队展示了第一款芯片级Ti:Sa激光器，它涵盖了Ti:Sa晶体和创纪录的低阈值无源光子电路 (PIC) 提供的全光谱。通过直接在氮化硅光子平台上集成Ti:Sa激光介质，从输出波导产生发射信号。已经证明了涵盖从700 nm到950 nm的近红外光谱的波长范围。

Ti:Sa 腔、相关的泵浦激光器和外部锁定腔都可以集成在基于蓝宝石的 PIC 系统中的单个芯片上。异构集成技术通过与不同的固态增益介质集成，为原子驱动光子系统的生成提供了新的实现方式。

由于其短寿命、低发射截面和低离子掺杂浓度，Ti:Sa激光器具有低增益并且需要大泵浦功率。大多数在自由空间中运行的Ti:Sa激光器具有大于200 μm²的模式和高达 1 W的泵浦功率阈值。由于强限制因子，集成光子平台将模式尺寸1 μm²，从而使阈值功率低于10 mW。

图 1：显示 Ti:Sa 增益的 Ti:Sa 微环装置示意图，泵浦光通过波导连接并在红色至红外波长范围内产生激光

传统的自由空间Ti:Sa激光器必须在腔内建立大于300 mW的功率，才能达到0.2 dB/cm的增益。另外，一个片上激光器只需要几十毫瓦的功率就可以建立0.4 dB/cm的光学增强。由于泵浦模式与发光模式同时处于共振状态，泵浦微腔的增强大大降低了阈值。

由于微环谐振器在发射波长和泵浦波长上同时发生共振，芯片级集成激光器方法具有更高的光致发光效率。为了激发Ti:Sa增益，泵浦光通过环绕它的波导连接，如图1所描述。通过调整芯片温度，保持泵的谐振条件。放射模式连接到输出波导端口，也处于共振状态。

led的研究人员已经成功地从Ti:Sa在730-830 nm范围内实现了片上激光。通过将异质集成激光器与参考激光器进行比较，确定该激光器的线宽为120 kHz。

未来展望

由谭教授领导的耶鲁大学研究团队的新进展展示了具有宽发射光谱的芯片集成 Ti:Sa 激光系统的毫瓦级激光阈值。 Ti:Sa 集成有望最终带来更多芯片级功能，为片上原子钟、量子计量学、AR/VR 设备和光通信系统打开大门。异构集成技术的适应性使得能够将额外的波导平台集成到光子工具箱中，以增加片上激光器的发射光谱，包括铌酸锂、氮化铝和其他增益介质。