近期，中国科学院上海光学精密机械研究所空天激光技术与系统部王俊研究员团队在基于SiN-Ti:Sapphire异质集成的可见-近红外波段宽带波导放大器研究方面取得进展。相关成果以“Design of a broadband Si3N4 waveguide amplifier based on a gain medium of ion-sliced titanium-doped sapphire”为题发表于Optics Letters。
自1982年发明以来，Ti:Sapphire激光器在基础物理、化学光谱学和生物研究中实现了众多应用。与其他固态增益材料相比，掺钛的蓝宝石晶体 (化学式为Ti3+: Al2O3，简称Ti:Sapphire）具有许多优势，包括宽调谐范围 (600~1200 nm)、大面积发射截面以及多种不同波长的光源。最近，Joshua Yang等人展示了一项里程碑式的工作，通过Ti:Sapphire单晶和 SiO2 晶圆的晶片键合、CMP 抛光和干法蚀刻制成的Ti:Sapphire激光器实现了超低亚毫瓦的激光阈值放大。然而，通过干法蚀刻控制Ti:Sapphire薄膜厚度带来了效率低、成本高且不适合大规模生产的问题。
图1 SiN-Ti:Sapphire波导放大器的结构示意图
在本项工作中，研究人员通过使用Runge–Kutta算法来计算传播方程，对其迭代求解进行增益特性研究。如图2所示，发现当泵浦功率达到 160 mW 时，最大增益达到了28 dB，并在近 100 THz 的带宽内保持 20 dB 以上的增益。此结果展示了 SiN-Ti:Sapphire波导放大器的宽发射带，表明其在宽光谱范围内提供稳定放大的能力。经过 1200°C、0.05 MPa 键合并退火 10 h 后，成功实现了衬底蓝宝石上的Ti:Sapphire薄膜的制备，如图3所示。尽管由于表面质量和键合条件的限制，当前薄膜的尺寸仅为约200 μm直径和1 μm厚度，但通过后续工艺优化将有可能制备更大的Ti:Sapphire薄膜。相关工作有望为片上Ti:Sapphire波导放大器和激光器的优化设计和实验实现提供新的途径，为实现小型化、片上化冷原子系统提供有力支撑。
图2 SiN-Ti:Sapphire波导放大器的增益效果
图3 Ti:Sapphire薄膜制备实验
