可见光光子集成布里渊激光器

超窄线宽可见光激光器能够提供精确原子、分子和光学物理所需的光谱纯度，包括原子钟原子和分子光谱以及量子传感。历史上，使用锁定到蒸气室或大型光学参考腔的宏观激光系统，以获得解决原子中窄光学时钟跃迁所需的低相位噪声和高频率稳定性，这些实验室规模的系统对越来越复杂的原子和分子实验以及便携式甚至自主光学时钟提出了挑战。为此，需要更小、更可靠的可见波长激光器，以便实验可以在波长、原子或分子的数量和总体复杂性上进行提升。光子集成为使这些激光系统小型化、提高其可靠性、降低对环境干扰的敏感性并使系统具有更多纠缠原子、更高灵敏度的量子传感器、更高精度的定位、定时和导航以及复杂分子的探测提供了一条途径。

受激布里渊散射激光器具有泵浦线宽变窄特性和超低相位噪声发射，是物理和量子应用的一个有前途的候选者。可见光中的发射已通过基于光纤的谐振器、奇异光纤和体光学实现。最近，近红外光纤激光器的相干性被转移到可见光中，以解决锶的时钟跃迁问题，然而，需要体积庞大、功耗低、非线性的频率转换。为了降低系统复杂性和提高可靠性，需要使用直接驱动方法，其中激光器直接以所需的可见波长发射，而无需中间转换阶段。在近红外工作的芯片级受激布里渊散射激光器表现出了令人印象深刻的性能，实现了亚Hz基本线宽、100 ms以上的30 Hz积分线宽和2×10^-13分数频率稳定性。迄今为止，光子集成受激布里渊散射激光器中的可见光发射仍然遥不可及。这种缺乏进展主要是由于障碍，例如，在可见光中实现超低损耗布里渊有源平面波导，导致低效率的布里渊散射并在长光子引导寿命、短声子引导寿命、大谐振器光子寿命的期望操作状态下阻止受激布里渊散射激光发射以及大的共振器模式体积。克服这些障碍以及在晶圆级集成平台中实现可见光受激布里渊散射激光器，将导致尺寸减小、成本降低并提高对环境干扰的稳定性和鲁棒性并使稳定激光器和波长数量不断增加的实验和应用成为可能。

 

图1 可见光激光器的集成应用示例。集成可见波长氮化硅/二氧化硅波导受激布里渊散射激光器如何可用作时钟跃迁光学激光振荡器以锁定锶离子。异质集成674 nm外腔可调谐激光器可以用作泵浦，而氮化硅光学滤波器隔离并将一阶斯托克斯的一部分路由到声光调制器，用于边带锁定到片上氮化硅波导频率参考腔。参考腔稳定了边带激光器，以锁定窄原子跃迁。单个离子阱显示为芯片集成的示例。光纤耦合1092 nm和1033 nm激光器可以转换为自由空间光束，用于状态重新泵浦，芯片上光电二极管可以为锁定提供信号反馈监控。

激光谐振器基于超低损耗单模芯和包层波导，其设计工作波长为674 nm。波导由20 nm高、2.3 μm宽的氮化硅芯组成，该芯沉积并蚀刻在硅衬底上的下部热生长氧化物包层上，具有沉积的上包层并在1050 °C和1150 °C下进行最终两步退火7小时和2小时，这是波导的最佳退火工艺。为了最大化自发布里渊信号，研究人员制作了一个损耗约为1 dB/m的2米片上螺旋波导并测量自发布里渊信号。

 

图2 波导设计和674 nm自发布里渊测量。用于自发布里渊增益测量的两米单模波导螺旋。所示实际2米螺旋照片，用674 nm的光照射。所示为5 mm刻度，以供参考。测量和模拟的自发布里渊增益，一阶斯托克频移，增益峰值和290 MHz带宽。电频谱分析仪的分辨率带宽设置为100 Hz。测量的蓝色曲线显示了光纤和氮化硅波导的布里渊贡献，而灰色轨迹显示了仅光纤的贡献，这证实了处的峰值是由波导自发布里渊散射引起的。

结合实际测量材料和器件参数的多物理矢量模拟用于预测频率偏移和布里渊增益形状（图2c中的红色曲线）。通过使用电频谱分析仪对泵浦布里渊差拍音符（图2c）进行外差检测来测量弱后向散射信号。使用电频谱分析仪上的时间平均检测，研究人员测量了25.110 GHz的峰值频移和290 MHz的增益带宽，这与数值模拟一致。宽的增益带宽和偏斜的线型是由于在没有声波引导的情况下在超低损耗光波导中连续产生光子，这允许耦合到波导氧化物包层内的体声波声子状态的连续体。模拟的布里渊增益系数为2.73 (W m)^-1。通过将光纤与芯片分离并进行独立测量（图2c灰色曲线），用于传输674nm泵浦激光的光纤中的布里渊散射与波导布里渊散射（图2c蓝色曲线）不同。

激光谐振器是一个8.9509 mm半径的总线耦合环形结构，其自由光谱范围设计为674 nm处测得的25.110 GHz峰值斯托克斯位移的1/7（图3b和图3c），总线到环形功率耦合系数к^2约为1.5%。研究人员设计了每个布里渊-斯托克斯频移具有多个环，以便于斯托克斯位移和腔谐振的对准，增加腔体积并对制造变化提供鲁棒性。在674 nm处，研究人员实现了5540万的高本征和加载2770万（图3d）。这些测量是使用射频校准的马赫-曾德尔干涉仪进行的，其传播损耗为1.09 dB 。

 

图3 受激布里渊散射谐振器设计。a，谐振器设计的自由频谱范围为3.587 GHz，等于25.110 GHz自发布里渊峰值增益频移的1/7。b，用光纤耦合674nm激光照射的氮化硅波导谐振器的照片。谐振器半径为8.9509 mm。c，在674 nm处测量的谐振器自由光谱范围。d，使用射频校准的不平衡马赫-曾德尔干涉仪（蓝色轨迹）进行的质量因数测量（红色轨迹）。半最大全宽，加载2770万，内在5540万，674 nm时加载2780万。

激光谐振器由片外锥形光放大器泵浦，该放大器用来自连续波外腔二极管激光器的674 nm光进行籽晶。输出通过光纤循环器耦合到波导谐振器。最大35 mW片上功率被传送到波导总线，受限于180 mW 最大输出功率和~4 dB光纤到端面耦合损耗。使用端口光纤再循环器测量反向传播的信号。测量和模拟的功率与泵功率的关系，如图4a所示。对于14.7 mW的片上泵浦功率（对应于4.92 mW μm^-2的阈值密度），观察到清晰的阈值和45%的斜率效率，两者都与模型非常一致。

 

图3 受激布里渊散射斯托克斯阈值、功率和线宽测量。a，泵浦光片上功率对一阶斯托克斯信号功率。测量的S1激光阈值为14.7 mW，对应于4.92 mW μm^-2的阈值密度和45%的斜率效率。当泵浦功率从低于阈值增加到高于阈值时，S1光功率的建模准确地预测了测量的S1光功率。预测的二阶斯托克斯阈值为~60 mW（黄色圆点）。b，以对数比例绘制的S1发射线宽测量，低于阈值（蓝色迹线）、刚好低于阈值（棕色迹线）和刚好高于阈值（绿色迹线）。布里渊发射线宽从16 MHz的自发支配线宽演变到受激布里渊的开始，测量的是略低于阈值的12 MHz线宽，到略高于阈值的受激支配120 kHz线宽。电频谱分析仪的分辨率带宽设置为1 kHz。c，使用射频校准光纤干涉仪鉴频器测量的频率噪声。（c）中所示的每个泵浦输入条件的S1发射基本线宽由相应的水平虚线表示。自由运行的泵频率噪声（紫色迹线）适用于未锁定的泵（即未锁定到稳定腔或谐振器）。随着泵浦的增加，测量到基本线宽（曲线ii–v）的减小。由于背反射泵浦在频率噪声辨别之前未进行光学滤波，因此，对S1的测量频率噪声有泵浦噪声贡献。仅在阈值以上，从泵浦到S1的转换很低，16 mW泵浦（绿色）的白噪声基底是泵浦、S1及其拍频的组合。随着片上泵浦功率（芯片）的增加，腔内S1光子数增加，而泵浦信号被耗尽且对于所有其他迹线，降低到斯托克斯的10 dB以下。d，从（b）到（c）的节拍和基本线宽。

除了验证激光阈值外，研究人员还证明了当泵浦功率从阈值以下、通过阈值和高于阈值增加时，发射线宽的减小。在阈值以下，使用通过将反向传播上的泵浦混合而产生的外差拍频来测量光功率谱。为了最小化泵浦线宽对测量的拍频的贡献，研究人员将泵浦激光器锁定为商用的高精细度超稳定激光器腔（稳定激光系统）。远低于阈值，散射光是由热声子的不相关自发散射产生的并被~16 MHz的谐振腔线性滤波。当接近阈值时，自发发射光谱测量12.0 MHz，表明受激发射的开始，因为发射光谱比冷腔共振窄。

在刚刚高于阈值（iii）的情况下，线宽急剧缩小到120 kHz，因为受激布里渊散射主导发射（图4b，迹线（iii））。在阈值以上的所有点，研究人员使用光学鉴频器测量S1的频率噪声。基本线宽(△ν） 定义为远离载波的白噪声本底。在图4c中，每个泵浦功率输入的噪声下限由水平虚线（iii–vi）表示。当泵浦功率增加超过S1阈值时，基本线宽从1.1 kHz（iv）急剧下降到269.7 Hz（vi）。这些线宽结果汇总在图4d中，显示了阈值以下点（i–ii）的积分线宽以及图4c中（iii–vi）中频率噪声曲线的基本线宽。研究人员无法提供所需的片上泵浦功率59.4 mW，以实现二阶斯托克斯激光（S2）。未来的工作将进一步研究使用稳定泵浦源测量的噪声特性并探索S1接近S2激光阈值时的线宽行为。

通过在另一个与原子跃迁相关的可见波长下运转，研究人员实现了这种激光器设计的多功能性。氮化硅带隙支持波长低至405 nm的低损耗，使其成为广泛可见光原子跃迁的有力工具。研究人员使用相同的674 nm波导设计和几何结构设计和制造了698 nm 谐振器并修改了和总线环耦合间隙。在698 nm处，多物理模拟预测斯托克斯位移和300 MHz布里渊增益带宽。选择698 nm以匹配中性锶原子时钟跃迁。与674 nm激光器一样，被设计为频率偏移的1/7，从而产生9.4 mm半径的谐振器设计。选择3.4 μm总线环耦合间隙，以使谐振器在功率耦合系数约为1%的欠耦合状态下工作。对于制造的器件，研究人员测量了12 MHz的谐振腔宽度 （图5b和图5c）。如图5d所示，研究人员通过在预期的泵浦斯托克斯频率偏移下用钛宝石激光器泵浦腔来观察处的激光。如图5d插图所示，研究人员测量了泵浦外差拍频音。351 MHz拍频音符与模拟的偏移相偏移，很可能是由于布里渊增益峰值与窄腔谐振之间的轻微偏移。泵浦激光器是自由运行的（即既不稳定于谐振器也不稳定于参考光学腔）且节拍在几十毫秒内漂移约100 kHz。片上泵浦功率为108 mW，测得的片上泵浦阈值功率为75 mW。

 

图5 698 nm泵浦下波导自发布里渊增益谱的多物理模拟。a，布里渊增益频谱宽度为~300 MHz，斯托克频移为24.243 GHz。b，在698 nm处测得的全宽半峰谐振器线宽为12 MHz，测得的固有和加载品质因子分别为6000万和3380万。c，通过在1.4645 GHz处施加边带，测量698 nm处的谐振器自由光谱范围为3.421 GHz。d，一阶斯托克斯和在光学频谱分析仪上测量的泵，插图显示了在电频谱分析仪上在23.892 GHz下测量的泵拍音符。左侧插图显示了与698 nm泵浦激光耦合的9.4 mm半径光纤谐振器。

研究人员实现了可见光激光的演示和波导光子集成电路中布里渊增益的测量。674 nm激光器被设计为低相位噪声“直接驱动”芯片级光源，可以直接耦合到离子时钟跃迁，而无需中频转换并广泛应用于其他可见光超低相位噪声应用，包括量子和精密计量。总线耦合环形激光器设计通过在长光子寿命、短声子寿命、大腔体积和长谐振器衰减时间的条件下工作，在可见光中产生布里渊线宽变窄。为了满足这些激光要求，克服了现有的限制，需要在可见光光子学方面取得进展，包括2.68×10⁴ μm³模式体积谐振器中的低波导~1 dB/m损耗和高谐振器本征品质因子5540万。由于波导侧壁散射导致的可见光波长损失在较短波长下比现有1550 nm设计中更严重，因此，通过仔细减少与波导表面的光学模式重叠来设计波导。随着这些进步，这种激光器在14.7 mW的光泵浦阈值下工作，斜率效率为45%。当泵浦从低于阈值增加到高于阈值时，布里渊发射线宽变窄，在36 mW的片上泵浦功率下实现了269 Hz的基本线宽。假设斜率效率恒定，计算的阈值功率为59 mW，在激光（阈值）开始时，估计腔光子数可以增加2倍，导致预期的线宽为153 Hz。激光频率噪声源包括基本噪声、腔的固有噪声以及泵浦激光器和谐振器中的技术噪声源以及泵浦幅度到相位噪声转换。通过将谐振器、泵浦激光器或调制发射锁定到光学参考腔，可以减少这些噪声源。

为了提高激光器效率并进一步减小线宽，模拟表明，可以通过与布里渊增益峰移更接近的匹配来进行改进。计算预测了7mW阈值以及更高的光输出功率。优化可以通过使用利用热和压电技术的波导调谐来调节腔来实现。可以预测，随着光子数持续增加到阈值，基本线宽可以减小到2 Hz。进一步的改进需要通过探索额外的二氧化硅沉积处理技术和用于激光发射的不同波导模式来降低可见光损耗。侧壁散射损耗模型表明，如果使用模式而不是模式，则可能显著提高。这样的损耗降低将线性地转换为较低的阈值和较小基本噪声极限，但需要仔细设计耦合器以抑制模式以避免串扰。进一步减小线宽的其他可能改进包括用光栅调制激光谐振器，以分裂二阶斯托克斯谐振，防止发射并进一步增加光功率，该平台可以支持广泛的光子-声子相互作用，因此，可以支持各种原子和分子跃迁的波长。未来的工作将涉及在宽范围的氮化硅波导透明度和能够支持的带隙更高的波导上实现这种设计。