近期，中國科學院上海光學精密機械研究所空天激光技術與系統部王俊研究員團隊在基于SiN-Ti:Sapphire異質集成的可見-近紅外波段寬帶波導放大器研究方面取得進展。相關成果以“Design of a broadband Si3N4 waveguide amplifier based on a gain medium of ion-sliced titanium-doped sapphire”為題發表于Optics Letters。

自1982年發明以來，Ti:Sapphire激光器在基礎物理、化學光譜學和生物研究中實現了眾多應用。與其他固態增益材料相比，摻鈦的藍寶石晶體 (化學式為Ti3+: Al2O3，簡稱Ti:Sapphire)具有許多優勢，包括寬調諧范圍 (600~1200 nm)、大面積發射截面以及多種不同波長的光源。最近，Joshua Yang等人展示了一項里程碑式的工作，通過Ti:Sapphire單晶和 SiO2 晶圓的晶片鍵合、CMP 拋光和干法蝕刻制成的Ti:Sapphire激光器實現了超低亞毫瓦的激光閾值放大。然而，通過干法蝕刻控制Ti:Sapphire薄膜厚度帶來了效率低、成本高且不適合大規模生產的問題。

圖1 SiN-Ti:Sapphire波導放大器的結構示意圖

在本項工作中，研究人員通過使用Runge–Kutta算法來計算傳播方程，對其迭代求解進行增益特性研究。如圖2所示，發現當泵浦功率達到 160 mW 時，比較大增益達到了28 dB，并在近 100 THz 的帶寬內保持 20 dB 以上的增益。此結果展示了 SiN-Ti:Sapphire波導放大器的寬發射帶，表明其在寬光譜范圍內提供穩定放大的能力。經過 1200°C、0.05 MPa 鍵合并退火 10 h 后，成功實現了襯底藍寶石上的Ti:Sapphire薄膜的制備，如圖3所示。盡管由于表面質量和鍵合條件的限制，當前薄膜的尺寸僅為約200 μm直徑和1 μm厚度，但通過后續工藝優化將有可能制備更大的Ti:Sapphire薄膜。相關工作有望為片上Ti:Sapphire波導放大器和激光器的優化設計和實驗實現提供新的途徑，為實現小型化、片上化冷原子系統提供有力支撐。

圖2 SiN-Ti:Sapphire波導放大器的增益效果

圖3 Ti:Sapphire薄膜制備實驗


審核編輯 黃宇