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酥鱼 | 编辑

受激拉曼散射可有效扩展传统激光器的光谱覆盖范围，近年来受到了人们的广泛关注。基于高品质因子微环谐振腔的拉曼激光器具有小尺寸、低阈值及大设计自由度等优势，可用于光谱学、传感和医疗诊断等领域。拉曼激光器的波长调谐在这些应用中是必要的。丹麦技术大学蒲敏皓团队与中山大学蔡鑫伦团队合作，基于薄膜铌酸锂微环谐振腔，利用其高品质因子确保亚毫瓦拉曼激射阈值，通过色散优化有效抑制了克尔光频梳产生，从而实现了宽带可调拉曼激光器。

宽带可调拉曼激光器的难题

通过改变泵浦波长，可实现拉曼激射波长的有效调谐。然而，宽带可调谐拉曼激光器的实现面临着材料拉曼频移和泵浦可调谐带宽的双重限制。对于大多数已实现的集成拉曼激光器，其材料平台仅具有一个较强的拉曼响应峰值，拉曼激光器的有效扩展范围不超过100纳米。此外，需要复杂的谐振腔耦合设计来实现宽带高品质因子，以保证低阈值操作。铌酸锂材料具有多个较强的拉曼响应峰值，可极大展宽拉曼激光器的调谐范围。然而，反常色散铌酸锂微腔中的克尔效应导致了光参量振荡及光学频率梳产生，抑制了拉曼激射。虽然正常色散微腔可有效抑制参量过程，但多模微腔中的模式耦合可引起局部色散畸变，从而引起参量过程，且使得品质因子劣化。由于多模波导可减小基模的散射损耗，抑制多模铌酸锂微环谐振腔中的模式耦合对实现低阈值宽带可调的拉曼激光器至关重要。

破局：色散工程

为了实现低阈值宽带可调的拉曼激光器，微腔需满足：1）小有效模式面积；2）强正常色散；3）抑制的模式耦合。通过优化波导横截面以进行色散工程，可增大模式间的相位失配并减小模式耦合发生次数，以满足上述需求。

宽带可调谐拉曼激光器结果

基于色散优化的薄膜铌酸锂微环谐振腔，我们得到了多波长拉曼激射，拉曼阈值降低至0.8毫瓦，仅用C+L波段泵浦调谐实现了335纳米的光谱扩展范围，且激光器最大输出功率达12.3毫瓦。其低阈值小泵浦调谐带宽特性有望实现全片上宽带可调拉曼激光器，为下一代光源和传感应用提供了新的可能。

表1 基于微腔的可调拉曼激光器对比

参考文献

[1] Andrianov, A. V. & Anashkina, E. A. Tunable Raman lasing in an As2S3 chalcogenide glass microsphere. Opt. Express 29, 5580 (2021).

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[3] Liu, X. et al. Integrated continuous-wave aluminum nitride Raman laser. Optica 4, 893 (2017).

[4] Latawiec, P. et al. On-chip diamond Raman laser. Optica 2, 924 (2015).

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研究团队

（共同）第一作者赵延菁：丹麦技术大学博士后，博士及本科毕业于华中科技大学。长期专注于多种材料平台的集成光学及非线性光学研究，包括克尔光学频率梳、超连续谱、拉曼激光器等。在Laser & Photonics Review、APL Photonics、Nanophotonics等学术期刊及会议上共发表17篇文章。

（共同）第一作者刘潇玥：博士毕业于中山大学电子与信息工程学院。

（共同）通讯作者蔡鑫伦：中山大学电子与信息工程学院，教授，博士生导师。本科毕业于华中科技大学，2012年于英国布里斯托尔大学（Bristol University）电子工程系获得博士学位。2013年作为海外青年人才引进中山大学，2016年入选基金委优秀青年，2019年作为项目负责人承担科技部“宽带通信与新型网络”重点研发计划项目。2020年获广东省五四青年奖章，成果三次入选“中国光学十大进展”。

（共同）通讯作者蒲敏皓：丹麦科技大学高级研究员（副教授），长期专注于研究集成光学，纳米光子学，新型非线性材料，纳米制备工艺，非线性光学以及其应用探索，近年来致力于新型非线性材料光芯片平台的研发，在高速光信号处理，超高效宽带芯片光源的研制方面取得了突出进展。他团队基于三五族材料砷化铝钾研制了超高速(太比特每秒)光信号处理芯片，研制了第一个毫瓦级阈值的平面集成微腔光频梳，研制了用于超高带宽(近皮太比特每秒)数据传输的单光源多波长光源。他在Nature Photonics， Optica等知名SCI期刊及学术会议上发表文章170余篇，受邀报告35次，H-index 30 (Google Scholar)。他是欧洲创新理事会(EIC)“地平线奖”(Horizon Prize)以及欧洲研究理事会个人资助计划 (ERC Starting Grant)的获得者。

论文信息

发布期刊 Communications Physics

发布时间 2023年12月2日

文章标题 Widely-tunable, multi-band Raman laser based on dispersion-managed thin-film lithium niobate microring resonators

丹麦技术大学蒲敏皓团队、中山大学蔡鑫伦团队：宽带可调拉曼激光器