近日，中山大学电子与信息工程学院、光电材料与技术国家重点实验室李朝晖教授、张斌副教授团队在自主开发的新型硫系集成光子平台上实现了大带宽可调谐的拉曼激光器，研究成果发表于光学领域国际知名期刊Laser & Photonics Review。
片上集成激光光源具有低成本、低功耗、小体积的优点，已被广泛应用于精密测量、光谱学、分子探测等领域。因此，实现大带宽、可调谐的片上集成激光器是集成光子学领域的不懈追求。基于集成光电子芯片的片上拉曼激光器可有效的增加现有片上激光器的波长范围和可调谐性，但是目前片上集成拉曼激光器的可调谐带宽和激光特性仍然受限于材料平台性能和不明晰的动力学物理机制。
图1. 大带宽、可调谐片上集成硫系拉曼激光器示意图
针对上述问题，李朝晖教授、张斌副教授团队自主开发了GeSbS硫系玻璃的片上集成光子平台，该平台具有低损耗、高光学非线性和高拉曼增益、可实现灵活的色散调控、硅基片上集成等特点，非常适合于实现可调谐的片上拉曼激光器。本工作中，他们首次提出通过合理设计片上器件的结构能够有效的改变片上集成器件的群速度色散，进而对集成微腔中拉曼效应和克尔非线性的相互作用进行主动调控，能够在不同的结构中分别实现级联拉曼激光器和宽带克尔-拉曼光频梳，如图1(a)所示。他们通过半导体加工工艺精确制备器件结构实现对群速度色散灵活调控，获得了级联拉曼激光和宽带拉曼-克尔频率梳的灵活切换输出。实验中，他们制备两种不同结构的高品质硫系集成微环腔，在结构i中实现了级联拉曼激光输出，其阈值低至3.5毫瓦，在结构ii中实现了宽带的拉曼-克尔频率梳，其输出带宽超过200纳米。他们还进一步建立理论仿真模型对该现象进行了数值模拟，进一步从理论上验证了该理论设计和实验结果的准确性，如图2所示。
图2 不同结构中的片上集成拉曼激光输出谱。(a)-(e) 高品质硫系微环腔。(f) 级联拉曼激光输出。(g) 宽带拉曼-克尔频率梳输出。
相关工作以“Engineered Raman Lasing in Photonic Integrated Chalcogenide Microresonators”为题，于2022年1月30日在线发表于Laser & Photonics Review。该工作由中山大学为完成单位，中山大学李朝晖教授团队的博士生夏迪和硕士生黄誉斐为共同第一作者，张斌副教授和李朝晖教授为共同通讯作者。该研究得到了科技部变革性技术关键科学问题重点专项 (2019YFA0706301), 科技部宽带通信和新型网络重点专项(2018YFB1801003), 国家自然科学基金 (U2001601, 61975242, 61525502, 11974234, 62035018), 广东省重大科技专项 (2019A1515010774)等项目的支持。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/lpor.202100443