集成光學(xué)是一種用來制作集成光學(xué)器件、光子集成回路或者平面光波回路的技術(shù)，其中集成光源、分束器、調(diào)制器、高約束波導(dǎo)等集成光學(xué)器件的應(yīng)用，有效提高了光信號處理的效率。越來越多的科研人員把目光轉(zhuǎn)向集成中紅外和太赫茲光子學(xué)在通信和傳感領(lǐng)域的研究。在太赫茲頻率范圍內(nèi)，太赫茲量子級聯(lián)激光器逐漸成為集成半導(dǎo)體梳狀光源的絕佳選擇。傳統(tǒng)的太赫茲集成系統(tǒng)包括混合等離子體波導(dǎo)、耦合腔器件、集成太赫茲收發(fā)器以及一些硅基集成器件。

近期，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Giacomo Scalari教授和Urban Senica博士帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)基于集成在低損耗聚合物平面化的雙金屬、高約束波導(dǎo)布局中的有源和無源元件，成功研發(fā)出一種新型集成太赫茲量子級聯(lián)激光器，該成果以“Planarized THz quantum cascade lasers for broadband coherent photonics”為題發(fā)表在Light: Science & Applications上。

新型集成太赫茲光子學(xué)平臺示意圖

在復(fù)雜的集成光學(xué)系統(tǒng)中，激光集成的關(guān)鍵特性在于降低了電消耗，從而降低了注入電流，并有效地耦合到低損耗無源波導(dǎo)。研究團(tuán)隊(duì)所提出的集成光子平臺，能夠利用無源器件進(jìn)行信號傳播，并為寬帶傳感和電子通信等應(yīng)用提供相干集成光源。他們利用一個公共金屬接地層來演示在同一半導(dǎo)體平臺上集成多個有源和無源太赫茲光子器件，從而在太赫茲頻率下實(shí)現(xiàn)高效的信號處理。

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員致力于寬帶器件和頻梳器件，突出了色散、射頻、熱性能等多個關(guān)鍵品質(zhì)因數(shù)的改進(jìn)，在同一光子芯片上實(shí)現(xiàn)了有源器件和無源器件的集成。器件整體是基于一個高性能的光滑雙金屬波導(dǎo)，這種波導(dǎo)早已在太赫茲和微波領(lǐng)域被證明非常有效。

研究團(tuán)隊(duì)表示，橫向模式的控制對于獲得規(guī)則的梳頻譜至關(guān)重要。由于波導(dǎo)損耗增加，側(cè)面吸收體的引入減輕了高階橫模中的激光發(fā)射。通過將激光器脊的橫向尺寸減小到50μm及以下，可以獲得類似的結(jié)果。然而，對于傳統(tǒng)的雙金屬脊而言，由于波導(dǎo)通常通過直接在頂部金屬包層上的引線鍵合來接觸，因此寬度不能任意小。這種情況限制了有效脊的寬度和接合線貼片的尺寸，使得脊尺寸在50μm及以下的器件難以接觸并且容易失效。而且，直接在有源區(qū)上結(jié)合會引入缺陷，增加波導(dǎo)損耗，有損害器件的長期性能及其光譜特性的風(fēng)險。

但在該團(tuán)隊(duì)設(shè)計的集成光學(xué)平臺中，這些問題都已經(jīng)被解決。他們將接合線放置在無源、苯并環(huán)丁烯覆蓋區(qū)域上方的金屬頂部，有效避免了在有源區(qū)頂部形成任何缺陷，并且能夠制造非常窄的波導(dǎo)，遠(yuǎn)低于接合線尺寸。窄波導(dǎo)寬度可以用作基本橫向激光模式的有效選擇機(jī)制，并且也有利于散熱和高溫連續(xù)波操作。

DOI: 10.1038/s41377-022-01058-2