硅基光电子高功率可调谐激光器的技术突破

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引言
, o0 E9 r0 n7 \+ ], Q. ?7 }随着通信、传感和空间探测等领域的快速发展，高功率可调谐激光器的研究正在持续深入。本文介绍基于大模场面积技术的硅基光电子高功率器件的最新研究进展[1]。
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; L5 `0 [  }- b; ]6 e& @: I光电子集成技术的演进
传统的高功率激光器和放大器主要依赖于体积庞大的实验台系统，这主要是因为需要较大的能量存储空间。虽然光电子集成技术在小型化方面具有显著优势，但在功率输出方面一直面临着挑战。紧密的模式限制虽然实现了线路的小型化，但也限制了能量存储容量，导致输出功率通常仅为数十毫瓦。
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+ Y, [1 e1 G' n# u- Q* f9 J+ l; [图1展示了器件结构和应用场景，包括：(a)集成放大器的概念性高功率可调谐激光器，(b)能级图，以及(c)空间应用的艺术效果图。

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" c6 Z2 s6 Q, N1 ~大模场面积技术的实现
大模场面积技术在光电子集成领域带来了根本性的变革。该器件采用主动介质覆盖在无源层上的结构，通过精密的两步法制造。无源结构由硅衬底和多个精确控制的层组成：4微米厚的底部氧化层、800纳米厚的氮化硅层，以及6.6微米厚的顶部氧化层。顶部氧化层经过选择性刻蚀，在增益层区域形成300纳米厚的开口。

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4 e. D! m2 L8 I) j8 X* d  Z图2展示了高功率输出结果，包括：(a)反向传播方案示意图，(b)放大信号输出功率测量，(c)净增益特性，(d)宽带光谱，以及(e)不同波长的详细光谱。
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增益介质采用掺铥氧化铝（Tm3+:Al2O3），铥离子浓度达到6×1020/cm3，薄膜厚度为1.35微米。这种结构在1.7至2.1微米波段具有优异的增益带宽，形成了强弱模式限制的独特区域，优化了器件性能。

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4 z1 F% u% B" k* ^性能指标和技术成就
该系统在1.83至1.89微米的60纳米可调谐范围内实现了1.8瓦的输出功率。泵浦模式保持33.5平方微米的有效面积，而信号模式在29至28平方微米范围内变化。在氧化铝层中实现了90-95%的光学模式限制，与氮化硅层的相互作用仅为0.7至0.25%。
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: ~7 D7 x; \" m图3展示了噪声系数结果，显示了不同波长和输入功率下噪声系数的变化。
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! I2 l: Q. L. y系统的噪声特性经过详细表征，在不同工作条件下噪声系数在4.5至7.0分贝之间变化。随着种子功率的增加，噪声性能得到改善，证明了系统具有清晰的信号放大能力。

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图4展示了光谱测量结果，包括：(a)不同泵浦功率下的光致发光谱，(b)时域特性，以及(c)测得的截面值。

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0 w8 q4 B1 C4 j( G, ^, m- L! s图5显示了激光器和放大器技术发展的时间线对比，展示了本研究取得的重要进展。
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6 H$ c* b3 ?1 _' v/ q0 W' h& m技术应用和影响
/ I3 Z6 d0 P- b: a: l! S1 c该技术在多个领域具有广泛应用。在医疗方面，精确的波长控制和高功率输出能够实现组织的精确操作。在环境监测领域，系统能够探测特定分子特征，特别适用于温室气体检测。在空间技术应用中，4.5平方毫米的小型结构配合高功率输出，使其在卫星通信和行星观测任务中具有独特优势。

参考文献
! A( z, `2 M9 ~; X4 U. P[1] N. Singh et al., "Sub-2W tunable laser based on silicon photonics power amplifier," Light: Science & Applications, vol. 14, no. 18, pp. 1-9, Jan. 2025, doi: 10.1038/s41377-024-01681-1
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