片上纳米线激光器具有高耦合效率

中国浙江大学科研团队发现：从硫化镉 (CdS) 激光器进入氮化硅 (SiN) 波导的功率百分比达58％。

在过去的十年中，片上纳米光子技术越来越受到人们的关注，以实现具有更快的操作、更宽的带宽、更低的功耗和更高紧凑度的集成光子电路。尽管已经使用互补金属氧化物半导体 (CMOS) 兼容技术成功地制造了片上纳米光子器件和电路，但是片上光源仍然是具有挑战性的难题。

另一方面，长期以来，自底向上生长的半导体纳米线一直用于纳米级波导激光器。近年来，人们越来越关注有源纳米线与用于片上光源的片上平面波导的集成。但是，由于独立式纳米线与片上平面波导之间存在制造工艺、折射率和几何兼容性方面的较大差异，因此包括相对较低的耦合效率、无效的模式选择和低重现性等多种问题，都有待解决。

在《光科学与应用》(Light Science & Application) 上发表的一篇新论文中，来自中国浙江大学光学科学与工程学院现代光学仪器国家重点实验室的科学家展示了一种具有高耦合效率的片上单模 CdS 纳米线激光器。模式选择是使用马赫-伦德尔 (Mach-Zehnder) 干涉仪 (MZI) 结构实现的。

当抽运强度超过 4.9 kW/cm² 的激光阈值时，在 0.1 nm 的线宽和 20 (13dB)的侧模抑制比下实现了大约 518.9 nm 的片上单模激光。纳米线激光器的输出通过倏逝波耦合被高效地（效率达 58％）传输到片上 SiN 波导，并且通过预先设计 SiN 波导的耦合长度，两个输出端口之间的定向耦合比可以在 90％ 至10％ 之间变化。

得益于可用纳米线材料的多样性和带隙工程的高度灵活性，此处演示的片上集成方案可以轻松地扩展，以实现从紫外到近红外范围的片上纳米激光器，这可能会为半导体纳米线和片上光子器件提供新的机会。

 上图显示：（a）混合 MZI 结构在激励下的光学图像。（b）片上纳米线激光器的配置示意图。用一根 CdS 纳米线作为增益材料，并以倏逝波形式在两端耦合至一个“?”型 SiN 波导，以形成一种混合 MZI 结构。在耦合区域中，SiN 波导弯头是预先设计的，旨在确保高耦合效率和优异的重现性。在 SiN 波导的两端均设计了光纤至芯片的光栅耦合器，这些耦合器将来自片上 SiN 波导的激光信号耦合到标准光纤中，以进行光学特性表征。（c）在高于阈值的不同抽运强度下获得的激光光谱。主激光峰值集中在大约 518.9 nm 的波长和 0.1 nm 左右的线宽处。侧模抑制比随着抽运强度的增加而增加，并实现了约 20 倍的最大值 (13 dB)。（d）光学显微镜下测量装置的光学图像。该测量装置采用输出光纤，以通过光纤至芯片的光栅耦合器收集从芯片输出的信号。

这些科学家总结了激光器的制造和工作原理：“我们在光学显微镜下进行显微操作，将 CdS 纳米线集成到 SiN 芯片上，并形成具有出色重现性的混合 MZI 结构。通过使用 MZI 进行模式选择，我们可以操作单模激光器。另外，通过采用不同的波导弯头耦合长度，我们还可以改变激光 MZI 的两个端口之间的输出比率。”

研究人员补充说：“混合 MZI 结构的整体尺寸保持在 100 μm 以下。在 SiN波导的两端皆设计了光纤到芯片的光栅耦合器，此耦合器将来自片上 SiN 波导的激光信号耦合到标准光纤中，以进行光学特性表征。通过比较纳米线末端和光栅区域的激光输出强度，我们估计进入 SiN 波导的功率百分比约为 58％，比芯片集成纳米线激光器先前的结果高得多，并且可以通过优化纳米线与 SiN 波导之间的耦合效率得到进一步的改善。”

科学家预测：“得益于可用纳米线材料的多样性和带隙工程的高度灵活性，此处演示的片上集成方案可以轻松地扩展，以实现从紫外到近红外范围的片上纳米激光器，而片上单模纳米线激光器因此有可能为开发具有更高稳定性和紧凑性的片上物理和生化光学传感器提供机会。”

参考文献

'On-chip single-mode CdS nanowire laser' by Qingyang Bao et al; Light: Science & Applications volume 9, Article number: 42 (2020)