瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)光子系统实验室(PHOSL)、洛桑联邦理工学院光子学与量子测量实验室(LPQM)和法国芯片公司Almae研究人员开发了一种混合装置，可以增强许多高精度激光应用性能。通过将半导体激光源与包含微谐振器的氮化硅光子电路集成，提高了半导体激光器的性能，同时还能产生更短的波长。，该研究以“A chip-scale second-harmonic source via self-injection-locked all-optical poling”为题发表在《Light: Science & Applications》上。
半导体激光器在现代技术中无处不在，从智能手机到光纤通信，无处不在。然而，由于缺乏相干性和无法有效产生可见光，它们的潜力受到了限制。该研究不仅提高了这些激光器的相干性，还将其输出转向可见光谱，为其应用开辟了新途径。
这一突破来自于对自注入锁定的研究，即把少量的发射输出转移到一个单独的无源激光腔中，然后把该腔的谐振输出反射回原始发射。这种光反馈操作可以选择性地放大所需的波长，同时衰减其他波长，从而极大地限制了线宽和噪声。
图1:新型芯片级器件。由半导体激光器激活的微谐振器。
EPFL研究了自注入锁定是否能与二阶光学效应同时启动。将市售的半导体激光器与氮化硅微环谐振器耦合在一起，形成了一个独立的光源，以谐振器的一阶和二阶谐波频率发出相干光。
图2:自注入锁定二次谐波源。
通过设计一种芯片级二次谐波(SH)源，这种二次谐波源基于半导体激光器的倍频，并自注入锁定到氮化硅微谐振器上。注入锁定机制与高 Q 微谐振器相结合，使得基波频率的超窄线宽低至 41 Hz。由于谐振场的极度增强，准相位匹配的二阶非线性通过相干光电效应被光诱导出来，而高相干性则映射到所产生的 SH 场上。研究人员展示了如何设计利用这种光学极化技术，以可重构的方式在整个 C 和 L 电信波段提供高效的 SH 生成，从而克服了对极化电极的需求。研究设备在毫瓦级泵浦运行，输出 SH 功率超过 2 mW，在电驱动下效率高达 280%/W。研究结果表明，独立、高相干性的、高效的SH源可以集成到当前的氮化硅光子芯片中，从而在下一代集成光子器件中释放出χ(2)工艺的潜力。
图3:全光极化和二次谐波产生。
缩小电信波长和可见光波长之间的差距
EPFL称，这些较短的波长是在腔内的捕获光经历了一个称为全光极化的过程后实现的，该过程在氮化硅中诱发了二阶非线性效应。氮化硅通常不会产生这种特定的二阶非线性效应，该系统利用腔体内的共振光产生电磁波，从而激发材料的非线性特性。
图4:自注入锁定二次谐波产生。
图5:发射线宽。
在试验中，新的结构可以有效地在整个 C 和 L 电信波段(1530 至 1625 纳米波长)产生二次谐波。但电信以外的应用可能包括计量学和原子钟的开发，同时还可以降低当前类似信号源的能耗和生产成本。
研究结果证实了氮化硅光子学适用于集成高效的二阶非线性过程，并为实现新型芯片级设备(如微型原子钟和完全集成的自参考微型计算机)开辟了一条道路。
PHOSL研究人员表示，该研究不仅在改进现有技术，而且还在推动半导体激光器的发展。“通过缩小电信波长和可见光波长之间的差距，为生物医学成像和精密计时等领域的新应用打开了大门。
