原标题：π耦合锁相光子线激光器

来自：刘波 郭波 光学前沿评论 江苏激光联盟陈长军转载

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专家视点

光子线激光器一词广泛用于横向尺寸远小于波长的激光器，其大部分模式在亚波长核心外传播。在此，Ali Khalatpour等人提出并实现了一种利用光子线激光器这一独特特性形成耦合腔的方案。在这个方案中，研究人员使用了带有天线耦合的三阶分布反馈光栅的量子级联激光器作为平台。受杂交化学的启发，这个方案通过π耦合将多个这样的激光器进行锁相。利用耦合腔激光器，研究人员实现了对传感和成像的各种应用非常重要的几个性能指标：连续电调谐约为10 GHz- 3.8 THz（分数调谐约为0.26%）、良好的输出功率水平（连续波功率约为50-90mW）和紧凑的光束模式（束散度约为10°）。该工作发表在 Nature Photonics 上。

Ali Khalatpour, John L. Reno, and Qing Hu, Phase-locked photonic wire lasers by π coupling. Nature Photonics, 13(1): 47–53 (2019).

光子线激光器其特征为w≪λ(式中，w是横截面的尺寸，λ是波长），大部分模式在亚波长核心外传播。结果表明，通过改变线激光器的横向边界条件，可以有效地控制线激光器的辐射特性。这一独特的特性被用于可调谐激光器中，通过移动放置在激光丝旁边的物体，可改变激光器的频率。由于亚波长横向尺寸较深，在这种激光器中同时获得紧凑的光束模式、单频操作和高输出功率是一项具有挑战性的任务。此外，在许多应用中，电调谐激光频率是至关重要的，除了高输出功率和紧凑的光束模式。例如，量子级联激光器技术的最新发展使NASA能够启动银河/河外ULDB光谱太赫兹天文台，该天文台将测量星际介质的辐射。测量中性氧线将提供有关恒星形成的重要信息，是这次任务的核心。银河系中星际介质的最高线速度约为250 km/s，多普勒频移为±0.08%，对应±4.744 Hz时为4 GHz。因此，一个可以电调谐到8千兆赫以上的本地振荡器对于绘制整个银河系的油线图是必不可少的。除了确定这条特定谱线的重要性外，1-5 THz的频率范围还包含许多生化物种的光谱指纹。例如，研究了生物素（I）在0.8-3.8 THz范围内的低频振动，以更好地理解其生物活性的构象灵活性。在乳腺癌成像、皮肤癌成像、结肠癌成像、脑成像、爆炸物识别、飞机缺陷检测和蛋白质结构识别等方面的应用已在同一频率范围内得到证实。基于双外差探测方案的太赫兹成像系统产生了110 dB的信噪比。如此大的信噪比和相应的动态范围将有助于提高成像能力。在这种方案中，在连续波运转中所需的输出功率约为50 mW，这是不容易获得的且通过使用体积庞大的远红外气体激光器来实现。因此，实现大于8 GHz的电调谐、大于50mW的连续波输出功率和良好的光束质量将在各种应用中引起极大的关注。

从输出功率和功率效率、光束方向图和频率可调谐性等方面对提高太赫兹波段线激光器的性能进行了重要的尝试。 最近，使用单向天线耦合的三阶分布反馈光栅在~16 mW功率和单频工作的情况下，壁塞效率高达1%。采用二阶和四阶Bragg光栅叠加的新型混合光栅方案，峰值功率为170 mW，斜率效率为993 mW/A。在脉冲模式下，采用THz量子级联垂直外腔面发射激光器，在77 K和6 K分别获得了830 mW和1.35 W的输出功率。在波束质量方面，利用THz量子级联激光器中的天线反馈方法，研究人员设计了一种波束发散度为4°×4°的演示。在频率调谐方面，采用压电陶瓷作动器和低温恒温器内腔，在中心频率为3.3 THz，功率为5 mW情况下，研究人员实现了260 GHz的调谐。利用受力或偏压驱动的可移动微机电系统侧物（柱塞）操纵横向光学模式，实现了THz量子级联线激光器在330 GHz宽范围内的频率调谐。对于纯电调谐，实现了基于耦合腔的激光装置，其中，两个“旋钮”可以通过独立偏压两个装置来调谐，可以实现~4 GHz（在输出功率变化的50%以内）和0.7 mW功率的良好范围的电调谐。在小光学体积的微盘激光器中，虽然输出功率在整个调谐范围内发生了显著的变化，但单个回音廊道模式实际上可以通过增益牵引实现约30 GHz的电调谐。在最近的工作中，研究人员提出了一种基于耦合金属微腔中失谐子带间吸收的太赫兹量子级联激光器电调谐方法，实现了~4 GHz连续频率调谐。

图1 带和不带天线环路的分布反馈光栅的全波模拟。 a、模拟的基 模和天线耦合三阶分布反馈光栅的波束图的示意图。在这里，λ0是自由空间辐射波长，Pr是远场辐射强度。b、带和不带天线环的短（有两个周期）三阶分布反馈光栅横向中间区辐射的比较。c、镜像丢失。α代表一个形成于具有中心到中心距离的π耦合分布反馈光栅（无天线环路）。上标's'表示对称超模，上标'as'表示非对称超模。d、镜像丢失。在c和d中进行了10次模拟时期。在这里Γ是模式限制因子，f是模式频率。

到目前为止，还没有一种方案能够同时实现良好的光束质量、高的连续波输出功率和宽的电调谐。在这里，研究人员实现了所有三个所需特性的组合，以实现这些性能指标是基于锁相的多线激光器，使他们一起形成一个耦合腔。一个牢固的锁相需要单个激光器之间的强耦合，这样即使它们的偏置非常不同而独立的振荡器也会被迫同步振荡。目前，有五种主要的耦合方案可用于锁相单个激光器元件。激光脊可以通过高折射率介质芯外的指数衰减场（倏逝波耦合）、外部反射器的反馈（衍射波耦合）、将两个脊连接到一个单模波导（Y耦合）、横向传播波（漏波耦合）耦合，或者通过天线在远场的相互耦合。这种倏逝波耦合方案可用于脊波导双线激光器。然而，直脊波导的波束分布非常分散，提取效率较低。衍射波耦合也可用于线激光器。然而，这个方案需要一个外部组件和精细的对齐。由于分布反馈光栅结构中的强反射限制了脊波导的端面耦合，使得Y型脊波导方案不能很好地应用于分布反馈光栅激光器。漏波耦合方案不能有效地耦合分布反馈光栅阵列，因为辐射主要来自辐射孔而不是端面。对于整体天线耦合，不清楚如果单个元件在非常不同的电流下偏置，是否仍然可以保持锁相，这是在近似恒定的光功率下进行频率调谐所必需的。

在这里，研究人员提出了一个方案的锁相几个(≤5） 线激光器形成一个耦合腔，但为了简单明了，主要集中在两个耦合腔上。 研究人员选择了以天线耦合三阶分布反馈光栅为平台的量子级联激光器。天线耦合三阶分布反馈光栅是一种优越的平台，因为它具有紧凑的波束方向图、高功率和高的壁插效率。该平台具有单模工作、约16 mW的高连续波输出功率、1%的壁塞效率和紧凑的波束图。单个天线耦合三阶分布反馈光栅示意图，如图1a所示。当满足一个理想的相位匹配条件时，所有天线环路的辐射沿分布反馈光栅结构同相，形成一个紧密的远场波束图。天线环路通过增加辐射孔径的有效表面积来增加辐射（反射镜）损失。共振时，缝隙内电场的相位在缝隙两侧相同，因此，天线长度L应等于m×λ，其中，m是正整数，λ是天线环路中的波长。

需要注意的是，在天线耦合三阶分布反馈光栅中，辐射主要来自天线环路。 由于面辐射可以忽略不计，Y和衍射光栅耦合方案在这里不适用。 由于天线环路长度由谐振条件决定，因此，脊之间的消失横向耦合可以忽略不计。 由于仅具有几个周期的天线耦合三阶分布反馈光栅在纵向上产生紧密的波束图，因此，通过互天线耦合的远场耦合在这里也不适用，因为该方案依赖于来自单个激光器的非常发散的波束图。 这个模拟结果表明，基本分布反馈光栅模在很大程度上被纵向限制在中心附近。 这种模式局部化和面上可忽略的辐射限制了漏波耦合。

通过讨论，可以推断ADFBs的锁相需要一种新的耦合机制，即描述了耦合现象。 虽然机制不同，但是耦合方案是受π化学中的共轭。对于光子线激光器，每个子波长光阑的辐射是发散的。图1b示出了具有天线耦合三阶分布反馈光栅和不具有天线环路的单周期三阶分布反馈光栅的模拟辐射剖面。通过安装天线环，不仅反射镜损耗增加且中间区域的横向场分布也增加显著增强。横向辐射的定量处理，如图1b所示，通过整合电场的主要成分。强的横向磁场分布为这种现象的发生提供了可能π两个或更多天线耦合三阶分布反馈光栅的耦合。由于所有同相天线辐射间隙之间存在耦合，因此，该方案将比早期利用面辐射的方案更有效。对于没有天线环路的三阶分布反馈光栅，情况并非如此。即使来自辐射孔的光束是发散的，也没有强耦合到穿过的相邻缝隙π联轴器。

强耦合会降低反射镜损耗对于耦合腔，它可以用来量化耦合强度。 如图1c所示，反射镜损耗对于没有天线环路的三阶分布反馈光栅，当这些分布反馈光栅彼此靠近时，m没有显著变化，表明可以忽略不计两者之间的耦合。 此外，对于间距非常近的腔，非对称模具有较低的辐射损耗，因此，它将是激光模，因为它具有比偶极矩更低辐射损耗的四极矩。 另一方面，如图1d所示，天线耦合三阶分布反馈光栅的m显著降低，因为它们由于强烈的同相孔径场的耦合。 进一步注意到，腔在超过四个波长的距离内是解耦的，这表明在远场中耦合机制不强。 即使在天线环路之间的最近距离处，两个脊线也是相同的λ所以脊之间的倏逝波耦合可以忽略，但是反射镜损耗减小了约60%，表明存在强耦合。 此外，不能将其描述为漏波耦合，因为横向上没有复波矢量（横向上没有有损导模）。

为了解释对称和非对称模式之间的选择性，最短的天线环路长度是λ共振时，使两个平行天线臂的尖端λ2从间隙边缘分开，产生180°相移与间隙中的场相比较。 显然，这样的场分布与对称超模中的场分布完全兼容，从而使模失真最小。如图1d所示，对称超模的模式剖面与隔离天线耦合三阶分布反馈光栅中的模式剖面非常相似。额外的内腔耦合降低了隔离天线耦合三阶分布反馈光栅的反射镜损耗。然而，对于非对称超模，两个天线耦合三阶分布反馈光栅中心线处的场等于零。因此，当两个尖端结合在一起时，尖端处的磁场也应为零，这迫使间隙边缘处的磁场近似等于零。如图1d所示，该场分布与隔离的天线耦合三阶分布反馈光栅完全不同，导致显著的模失真，从而导致较低的模限制因子。限制因子越低，镜损越大。在一个简单的观点，不对称模式类似于高阶横向模式在一个单一的脊往往有更高的激光阈值。对称和非对称模的模限制因子的定量处理，如图1d所示。如图所示，非对称模式的模式限制因子在天线耦合三阶分布反馈光栅之间的较小距离处减小，表明模式失真水平较高。研究表明，对称模具有较低的镜损和较高的模限制因子，其激光阈值远低于非对称模。

为了实现相位锁定π-耦合天线耦合三阶分布反馈光栅，研究人员制作了一个π-耦合天线耦合三阶分布反馈光栅。 图2给出了阵列的示意图以及几个几何参数。 每个数组有10对π-耦合天线耦合三阶分布反馈光栅。 天线环路长度在不同的天线对之间变化，以调整谐振条件。 对之间的距离设计为足够大，以避免对间耦合。 考虑到制造分辨率，天线耦合三阶分布反馈光栅对中天线环路之间的间隙设置为2 µm。 天线回路内的间隙尺寸为5.5 µm以确保高镜像损耗。 根据模拟结果，镜像损耗超模的m为单个天线耦合三阶分布反馈光栅的40%，对称超模的m为6/cm。 中心频率π-该芯片中的耦合天线耦合三阶分布反馈光栅与相邻天线对的间距约为3 GHz（通过简单地将天线环路长度增加约4%，就可以实现单调递减的频移）， 如图2e、f所示。 观察到的电流阈值和单波瓣波束图的相互依赖性是对称超模的有力证据。 如果一个天线耦合三阶分布反馈光栅是无偏的，则没有观察到激光，表明在冷腔中有明显的损失且两者之间有很强的耦合。 当两者都有偏压时，随着一个天线耦合三阶分布反馈光栅偏压的增加，另一个天线耦合三阶分布反馈光栅偏压的激光阈值降低，表明耦合腔中的总增益增加。

图2 实验验证耦合天线耦合三阶分布反馈光栅。 a、用于同时独立偏置的电子芯片。b、一个带有10个 成对的耦合天线耦合三阶分布反馈光栅。上部：示意图。底部：扫描电子显微镜图像。c、图中显示了三个周期（总共35个周期）耦合天线耦合三阶分布反馈光栅。d、放大扫描电镜图像之间的差距天线环路。e、轻电流曲线。f、光束方向图，耦合天线耦合三阶分布反馈光栅。这里，激光器位于球面坐标系中沿z轴的位置。

为了测量两者之间可能的频率偏移π-耦合天线耦合三阶分布反馈光栅，研究人员准备了如图3所示的实验装置。图3中所示的参考激光器在该测量中被关闭。该方案使我们能够使用频谱分析仪测量高达20 GHz的频率分离，分辨率约为kHz。在这个装置中，来自π-耦合天线耦合三阶分布反馈光栅主要研究肖特基二极管混频器。为了在混频器上获得高信噪比，使用两个离轴抛物面镜将波束聚焦到喇叭天线孔径上。混频器的直流监测端口连接到锁定放大器，用于光学对准。射频端口通过50 dB低噪声放大器与频谱分析仪相连。 研究人员 在图2e所示的整个偏置范围内观察到了单模 运转 （没有观察到任何高达20 GHz的拍频，分辨率为kHz）。 这表明π-耦合方案足够强，可以在整个偏置范围内保持很棒的相位锁定。

图3 以kHz分辨率测量频率差的实验装置。外差混频实验装置耦合天线耦合三阶分布反馈光栅，后来测量频率调谐的高分辨率（约1 kHz）。

具有独立偏置的锁相天线耦合三阶分布反馈光栅的主要动机是实现输出功率近似恒定的频率调谐。 改变相对偏差π-耦合的天线耦合三阶分布反馈光栅改变了增益分布。 从Kramers-Kronig关系推断，这种变化会引起折射率的变化，从而产生轻微的频率偏移。 在更专业的术语中，这被称为模式牵引效应，其由施加偏置的基础增益剖面的蓝移产生且折射率的相关变化移动谐振频率。 根据折射率的变化，π-耦合天线耦合三阶分布反馈光栅可以产生比单个器件更大调谐范围的连续频率调谐，因为它们可以像主从振荡器一样工作。

使用图3所示的相同设置，研究人员使用了另一个π-将天线耦合三阶分布反馈光栅耦合在与基准（进行了一次单独的测量，确认其单模运转）相同的管芯上，该管芯与基准相距三对π-耦合天线耦合三阶分布反馈光栅正在调查中。 选择远对是为了确保中心频率的充分分离并避免可能的局部加热。为了排除热调节，冷级采用PID温度控制器稳定在30 K。参考频率和通过傅里叶变换红外光谱测量的耦合天线耦合三阶分布反馈光栅及其在模具上的相对位置，如图4a所示。图4b显示了沿图4c所示电流路径的拍频（黑线，其目的是实现最小功率变化和最高动态范围）。图4d显示了超模在相应点的输出功率。研究人员观察到约10 GHz的频率调谐，最大连续波输出功率约27 mW；7 GHz的频率变化在50%功率变化范围内。尽管在图中只包括了几个点，但观察到，当改变指示路径上的偏差时，光谱分析仪上出现了完全连续的变化。未观察到模式跳跃。既然一切都偏离了中心π-对耦合ADFB进行了测试，证明其是单模的，可以设计每个天线耦合三阶分布反馈光栅的中心频率π-耦合天线耦合三阶分布反馈光栅相距约10 GHz（对于这种增益介质）。在这种情况下，通过在π-耦合天线耦合三阶分布反馈光栅，可以获得更大的连续调谐范围。

图4 频率调谐π-耦合天线耦合三阶分布反馈光栅。a、用FTIR光谱仪测量频率。b、频率差π-用肖特基二极管混频器测量了耦合天线耦合三阶分布反馈光栅和参考信号。c、基于动态范围和输出功率考虑的不同偏置电平的二维路径。d、输出功率与拍频。

如图1d所示，a中的超模π-耦合天线耦合三阶分布反馈光栅比非耦合天线耦合三阶分布反馈光栅具有更低的镜损。众所周知，激光器的输出功率与功率成正比。因此，可以设计出具有更高镜面损耗的单个天线耦合三阶分布反馈光栅，从而π-耦合ADFB对对称超模具有最佳的镜像损耗。在这里，研究人员使用了另一对天线耦合三阶分布反馈光栅并将天线间隙尺寸增加到6 µm。模拟显示一个对称超模的镜像损耗。测量结果，如图5所示。测量结果证实，单模频率为3.87 GHz，频率调谐约10 GHz，连续波功率约50 mW，波束图质量高。壁塞效率为0.71%，斜率效率为263 mW／A。在这里，已经证明了频率调谐的连续性，研究人员单地用傅里叶变换红外光谱测量了光谱。

图5 试验结果为输出功率优化的π-耦合天线耦合三阶分布反馈光栅。a、连续波光电流曲线和光束模式（插图）。b、用傅里叶变换红外光谱仪在a曲线的线性部分上拍摄的光谱。

研究人员设计并制作了π-耦合锁相机构具有两个以上天线耦合三阶分布反馈光栅的耦合天线耦合三阶分布反馈光栅。通过耦合更多的天线耦合三阶分布反馈光栅，可以获得更高的功率电平；原则上，转动更多旋钮可以获得更好的性能（例如，整个频率调谐范围内的功率变化更小）。图6显示了π-耦合3、4和5个天线耦合三阶分布反馈光栅，每个天线耦合三阶分布反馈光栅有35个周期和5.5 µm槽间隙尺寸。 为了制造和操作简单性，所有的天线耦合三阶分布反馈光栅使用一个焊盘偏置在一起。 单模光谱和单瓣波束图清楚地表明这些天线耦合三阶分布反馈光栅是锁相的。 随着天线耦合三阶分布反馈光栅数量的增加，横向波束图变得越来越窄。 耦合天线耦合三阶分布反馈光栅的总电流与天线耦合三阶分布反馈光栅的个数成线性关系。 然而，由于反射镜损耗随着耦合天线耦合三阶分布反馈光栅数目的增加而减小，输出功率并不是线性增加。 值得注意的是，耦合阵列的有效折射率比单个单元更接近于3。 通过增加耦合天线耦合三阶分布反馈光栅的数量，辐射损耗减小，有效模态指数增大，接近理想相位匹配的理想值。 对于大功率单天线耦合三阶分布反馈光栅，这种相位匹配是很难实现的，因为它需要更大的槽隙尺寸。

图6 系统的多功能性，高数量天线耦合三阶分布反馈光栅的π-耦合方案。a-c、光谱、SEM图像、L-I-V曲线和三种情况下的波束图π-耦合天线耦合三阶分布反馈光栅（a）、四π-耦合天线耦合三阶分布反馈光栅（b）和5π-耦合天线耦合三阶分布反馈光栅（c）。

综上所述，研究人员实现了锁相2、3、4和5的天线耦合三阶分布反馈光栅的π-耦合方案。耦合机制足够强，以在所有偏压下保持锁相。紧束模式（～10°×15°), 两个50 mW π-耦合天线耦合三阶分布反馈光栅（～90 mW）５π-耦合天线耦合三阶分布反馈光栅与～6°×8°半功率束宽和～10 GHz的连续电调谐，在30 K下进行了实现。利用图2a所示的20针连接器，可以设想通过改变天线环路的长度和分布反馈光栅结构的周期来偏置10对频率间隔为～10 GHz的天线耦合三阶分布反馈光栅。每对天线耦合三阶分布反馈光栅可调谐10 GHz，整个芯片可在100 GHz以上连续电调谐。这种宽而连续的电调谐在传感和成像中是非常理想的。

END

研究人员简介

Ali Khalatpour，美国麻省理工学院电子工程与计算机科学系博士，研究方向为应用电磁学及量子级联激光器。

胡青，美国麻省理工学院电子工程与计算机科学系教授，研究方向为应用物理学。