片上稀土掺杂激光器

逍遥设计自动化

引言
7 t) \7 w) P" p- H片上激光光源是光电子集成芯片的核心组件，提供了紧凑、低功耗的单片光源。这些激光器在光通信、传感、微波光子技术、光互连和光量子技术等多个领域具有重要应用。将激光器集成到芯片上可实现高速数据传输，同时减少功耗和器件尺寸。
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) X2 O# O' v+ F片上激光器采用玻璃、晶体、聚合物、硅、III-V族半导体和混合硅基光电子等材料平台来制造可靠且可扩展的光源。通过离子交换、脉冲激光沉积、液相外延和飞秒激光写入等制造工艺，可以精确构建这些器件[1]。
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1 o: j2 e& q5 [% R* b1 v6 \5 l) l* Q& U稀土掺杂的重要性
$ b7 V8 N' C+ f& k稀土掺杂剂由于独特的光学特性，在有源光子器件中发挥关键作用。稀土掺杂剂的跃迁发生在未充满的4f亚壳层之间，这些亚壳层被完全充满的5s和5p轨道所屏蔽。这种屏蔽使电子能级不受电子-声子相互作用的影响，产生窄带发射光谱。

# Y6 H" u. R, k7 o在稀土元素中，铒因其在1550nm波长的电信应用而受到广泛关注。铒提供约5×10^-21 cm^2的大发射截面和亚稳态的长载流子寿命。其他重要的稀土离子包括钕(Nd)、镨(Pr)、铽(Tb)、钬(Ho)和镱(Yb)，每种离子都具有独特的特性适用于不同应用。
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波导激光器的增益介质
增益介质的选择对波导激光器的性能起着决定性作用。常见类型包括：
  {- h/ m! |9 F( H/ J! d# ~5 Z# F1. 稀土掺杂玻璃：采用离子交换方法制造时，传播损耗很低(0.1 dB/cm)。玻璃较高的能量存储能力和宽发射光谱使超短脉冲的锁模运行成为可行。
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图1：飞秒激光写入通道波导的示意图。
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6 k" p& F6 c' Y" g$ J5 R4 P) w图2：玻璃基底中通道波导离子交换工艺示意图。
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0 i6 `+ x- ?. {$ w3 |: L7 Z2.稀土掺杂铌酸锂：这种晶体材料具有优异的电光和声光特性，非常适合制造波导。热扩散可以产生低损耗且光学限制增强的通道波导。
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. d1 J- l1 L% R9 \- u2 Q图3：液相外延设备示意图。
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图4：脉冲激光沉积(PLD)设备详细示意图。
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+ C& U' Y. k, y  B( T制造工艺
波导激光器的主要制造工艺包括：
飞秒激光写入：该技术使用聚焦激光脉冲局部改变介质的折射率。
制造速度快，波导设计灵活，插入损耗低至0.2 dB/cm。
离子交换：这是一种成熟的技术，通过离子扩散过程在玻璃基底中创建低损耗通道波导。该过程可以通过热或电场辅助来增强。

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) {) X+ e6 q3 ]" H" k% X9 N# Y% a图5：离子注入工艺设备示意图。

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波导配置
+ k* g3 J+ w+ h: s# q波导激光器可以有多种腔体配置：

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图6：单片固态波导激光器示意图。

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图7：外腔波导激光器配置图。

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图8：准单片波导配置示意图。

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超快锁模运行
: w( E3 U  C+ c4 Q锁模波导激光器可以在Q开关锁模(QSML)或连续波锁模(CWML)状态下运行。当腔内脉冲能量不足以支持CWML运行时，就会发生QSML运行。最新研究成果显示，重复频率可达42.5 GHz，脉冲持续时间短至41.4飞秒。
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结论
# G5 S. d4 X# i7 H6 V& I片上稀土掺杂激光器是下一代光电子集成芯片的核心技术。通过精心选择材料、掺杂剂和制造工艺，这些器件在输出功率、重复频率和脉冲持续时间方面都能达到出色的性能指标。该领域的持续发展将推动电信、传感和光量子技术等应用的进步。
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5 A& P# V0 p& i  c+ f" m参考文献
[1] Choudhary and H. Vaid, "On-chip rare-earth-doped lasers," in On-Chip Photonics. Elsevier, 2024, ch. 8, pp. 249-267. [Online]. Available: https://doi.org/10.1016/B978-0-323-91765-0.00012-8
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