#离子注入铒 #氮化硅薄膜晶圆 #氮化硅光波导 #800nm氮化硅 #厚膜氮化硅
摘要
我们使用基于氮化硅的掺铒波导放大器和啁啾螺旋布拉格光栅，展示了片上脉冲放大与压缩。我们的工作实现了 > 50 倍放大和 32 倍脉冲压缩，为面向多样应用的全集成高功率超短脉冲源铺平了道路。
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文章名：On-Chip Pulse Amplification and Compression Using Silicon Nitride Photonic Integrated Circuits
作者：Jie Wang⁽¹⁾, Yitian Tong⁽¹⁾, Zhaoting Geng⁽¹⁾, Chuchen Zhang⁽²⁾, Zhenmin Du⁽²⁾, Xuewen Chen⁽¹⁾, Jinwen Lin⁽¹⁾, Yuhao Huang⁽¹⁾, Yunqi Fu⁽¹⁾, Yu Xia⁽¹⁾, Di Yu⁽¹⁾, Hongwei Chen⁽²⁾, Chao Xiang⁽¹⁾
单位：(1) Department of Electrical and Computer Engineering and State Key Laboratory of Optical Quantum Materials, The University of Hong Kong, Hong Kong, China
(2) Department of Electronic Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China
引言
超短脉冲源是跨多种领域的基础工具，包括生物医学成像、光谱学和计量学[1,2]。向集成光子学的推进激发了开发片上超短脉冲源的努力，这些源在尺寸、成本和可扩展性方面具有优势。近期进展包括基于 III-V 族半导体的锁模激光器[3]、克尔微梳[4]，以及基于铌酸锂（LN）的主动锁模激光器[5]和电光（EO）梳[6]。然而，当前的集成超短脉冲源通常受限于脉冲峰值功率，并且仍严重依赖片外光纤放大器和色散管理组件，这显著降低了集成密度[7]。
近期，在稀土离子掺杂光子集成电路方面取得了显著进展，其提供宽而平坦的增益谱、长毫秒级发光寿命和低噪声系数。这些特性可能有利于超短脉冲生成和放大。代表性宿主材料平台包括 Al₂O₃[8]、硅酸盐[9]、LN[10]和氮化硅（SiN）[11]。然而，此前大多数工作聚焦于连续波放大，而脉冲放大仍然具有挑战性。由于高非线性和强波导色散，片上脉冲放大即使在中等峰值功率下也可能导致脉冲畸变，导致光谱畸变或脉冲分裂，从而降低放大效率[12]。
历史上，非线性诱导的脉冲畸变通过啁啾脉冲放大（CPA）技术得到解决[13]，该技术数十年来使块体激光系统中高功率超短脉冲的生成成为可能。在 CPA 系统中，光脉冲被时间展宽，在非线性效应阈值以下被放大，然后被重新压缩以实现高峰值功率，同时保持脉冲光谱特性和时间质量。CPA 概念已被适配用于片上飞秒脉冲放大[12]，实现高达 800 W 的峰值功率。波导放大器的群延迟色散（GDD）被利用于脉冲压缩。然而，这一有限的 GDD（7.79×10⁻²⁶ s⁻²）将脉冲压缩比限制在 22，从而限制了可从放大器提取的最大脉冲能量。此外，小的 GDD 对片上预啁啾管理构成挑战，因此采用了具有反常色散的外部光纤。
在本工作中，我们展示了基于低损耗氮化硅（SiN）光子集成电路的预啁啾源的光学脉冲放大与压缩（图 2(a)）。由 1 GHz EO 梳生成的、脉冲宽度为 414 ps 的预啁啾脉冲序列首先由集成掺铒放大器（EDA）放大，然后使用片上啁啾螺旋布拉格光栅（CSBG）高效压缩至约 13 ps。这种集成方法实现了 > 50 倍（17.4 dB）的片上放大和 32 的脉冲压缩比。我们的工作推进了适用于多样应用的片上高功率超短脉冲源的开发。
器件设计与性能
我们的集成系统由两个关键组件组成：一个 EDA 和一个 CSBG。两个组件均制造在低损耗 100 nm SiN 平台上，选择该平台是因为其低传播损耗、高功率处理能力和宽透明窗口。
图 1：(a) 铒离子分布的模拟垂直分布。(b) 泵浦 EDA 芯片的照片。(c) CSBG 芯片的照片。(d) 在 1550 nm 处测得的 EDA 增益随输入信号功率的变化。(e) 在 1550 nm 处 EDA 的片上净增益随泵浦功率的变化。(f) CSBG 的归一化反射光谱。(g) 测得的 EDA 增益谱。(h) 测得的 CSBG 群延迟。
EDA 波导长 63 厘米，横截面为 0.1×5 µm²，支持大模式面积，有助于降低传播损耗、提高放大器饱和功率并减轻非线性效应（克尔非线性系数约 0.08 W⁻¹m⁻¹）。定义光刻胶掩模用于选择性离子注入，以保持无源组件未掺杂。离子注入分两步进行，能量分别为 270 keV 和 470 keV，剂量分别为 0.71×10¹⁵ cm⁻² 和 1.54×10¹⁵ cm⁻²。仿真预测 Er 峰值浓度为 3×10²⁰ cm⁻³，与波导模式的重叠因子为 17%（图 1(a)）。注入后退火激活 Er 离子并修复注入诱导缺陷。图 1(b) 显示了在 980 nm 泵浦下的 EDA 器件，清晰绿色荧光源于离子掺杂区域中 Er 离子的上转换。未掺杂区域测得传播损耗低于 3 dB/m，而掺杂波导的背景损耗低至 5 dB/m，这归功于有效的注入后退火和 100 nm SiN 平台的低散射损耗。在 720 mW 泵浦功率下，1550 nm 处的片上净增益达到 17.4 dB，在 EO 梳信号功率为 −7.5 dBm 时测得（图 1(e)）。不同输入信号功率下的增益性能（图 1(d)）显示在 −30 dBm 输入时小信号增益为 24 dB。增益谱跨越 1545 nm 至 1562 nm，3 dB 带宽为 17 nm（图 1(g)），提供适合超短脉冲的宽带放大。
CSBG 用作具有内禀色散的分布反射器，通过将波导缠绕成阿基米德螺旋并利用啁啾周期对侧壁进行线性波纹化来实现。该器件长度为 1.05 m，制造于同一 100 nm SiN 平台上，传播损耗仅为 0.3 dB/m。图 1(f)、(h) 说明了 CSBG 的光谱和时间响应，器件照片如图 1(c) 所示。该器件提供约 10 nm 的色散控制带宽，从 1541.5 nm 到 1551.5 nm，测得 GDD 为 −861 ps/nm。其光谱响应表现出轻微的反射率波动，而群延迟保持高线性度且纹波极小，确认了该器件适用于有效脉冲压缩。
系统结果
使用这两个关键器件，我们展示了针对 1 GHz EO 梳的脉冲放大与压缩。由于相位调制，该梳提供具有大预啁啾的光脉冲，等效于超短脉冲的时间展宽。啁啾可容易调谐以匹配 CSBG 的色散。实验在 1543 nm、1545 nm 和 1550 nm 的梳中心波长处进行，展示了功率放大和色散控制方面的宽带能力。
图 2：(a) 1 GHz EO 梳的片上脉冲放大与压缩实验装置。PM，相位调制器；IM，强度调制器；AWG，任意波形发生器；PD，光电探测器；OSC，示波器；OSA，光谱分析仪；EDFA，掺铒光纤放大器；FPC，光纤偏振控制器；ACR，自相关器。(b) EO 梳的初始光谱。(c) 从 EDA 输出的 EO 梳光谱。(d) 从 CSBG 反射的 EO 梳光谱。(e) 输入 EO 梳脉冲序列的示波器迹线。(f) 压缩后 EO 梳脉冲序列的示波器迹线。(g) 压缩脉冲的归一化自相关迹线，假设去卷积因子为 1.54。
图 2(a) 说明了实验装置，包括 EO 梳、基于 EDA 的脉冲放大器和基于 CSBG 的脉冲压缩器。所生成 EO 梳的初始光谱（图 2(b)）表现出平顶轮廓，3 dB 带宽为 0.43 nm，对应于约 50 条梳线。预啁啾脉冲持续时间为 414 ps，通过高速光电探测器（PD）和示波器直接测量（图 2(e)）。经过 EDA 光学放大后，光谱保持其形状，但包含来自放大自发辐射（ASE）的噪声背景（图 2(c)）。不同波长之间的功率水平差异源于波长相关增益（图 1(g)）。测得的片上净增益分别为 13.4 dB、14.8 dB 和 17.4 dB。放大的 EO 梳脉冲序列随后耦合到 CSBG 进行脉冲压缩。反射脉冲序列通过环形器隔离以进行表征。压缩后的光谱形状保持一致，如图 2(d) 所示。在较长波长处观察到轻微倾斜，与 CSBG 的反射光谱一致。脉冲序列的直接时间测量（图 2(f)）显示相较于初始脉冲有清晰的脉冲压缩。由于 PD 的带宽限制，它们无法反映脉冲的实际压缩。自相关测量表明有效脉冲压缩至约 13 ps（图 2(g)），对应于约 32 的脉冲压缩比。测得的脉冲持续时间分别为 12.7 ps、12.2 ps 和 13.8 ps。相对于傅里叶变换极限脉冲宽度 8.2 ps 的轻微展宽源于 EO 梳的残余高阶色散，其无法由 CSBG 的线性啁啾补偿。
结论
总之，我们遵循 CPA 概念，利用片上 EDA 和 CSBG 器件展示了 1 GHz EO 梳的脉冲放大与压缩。实现了 > 50 倍（17.4 dB）的片上放大和 32 的脉冲压缩比。EDA 在 17 nm 的 3 dB 增益带宽上具有 > 14 dB 的片上净增益，实现宽带放大。CSBG 提供 10 ns 群延迟，可定制带宽超过 10 nm，允许精确色散控制。两个器件均基于超低损耗 100 nm SiN 平台，展示了高性能和全集成潜力。因此，我们的工作标志着开发包含脉冲展宽、放大和压缩的全集成 CPA 系统的关键一步，可带来适用于生物医学成像、光谱学和高速光通信应用的紧凑超短脉冲源。
