近日，中山大學電子與信息工程學院、光電材料與技術國家重點實驗室李朝暉教授、張斌副教授團隊在自主開發的新型硫系集成光子平臺上實現了大帶寬可調諧的拉曼激光器，研究成果發表于光學領域國際知名期刊Laser & Photonics Review。

片上集成激光光源具有低成本、低功耗、小體積的優點，已被廣泛應用于精密測量、光譜學、分子探測等領域。因此，實現大帶寬、可調諧的片上集成激光器是集成光子學領域的不懈追求。基于集成光電子芯片的片上拉曼激光器可有效的增加現有片上激光器的波長范圍和可調諧性，但是目前片上集成拉曼激光器的可調諧帶寬和激光特性仍然受限于材料平臺性能和不明晰的動力學物理機制。

圖1. 大帶寬、可調諧片上集成硫系拉曼激光器示意圖

針對上述問題，李朝暉教授、張斌副教授團隊自主開發了GeSbS硫系玻璃的片上集成光子平臺，該平臺具有低損耗、高光學非線性和高拉曼增益、可實現靈活的色散調控、硅基片上集成等特點，非常適合于實現可調諧的片上拉曼激光器。本工作中，他們首次提出通過合理設計片上器件的結構能夠有效的改變片上集成器件的群速度色散，進而對集成微腔中拉曼效應和克爾非線性的相互作用進行主動調控，能夠在不同的結構中分別實現級聯拉曼激光器和寬帶克爾-拉曼光頻梳，如圖1(a)所示。他們通過半導體加工工藝精確制備器件結構實現對群速度色散靈活調控，獲得了級聯拉曼激光和寬帶拉曼-克爾頻率梳的靈活切換輸出。實驗中，他們制備兩種不同結構的高品質硫系集成微環腔，在結構i中實現了級聯拉曼激光輸出，其閾值低至3.5毫瓦，在結構ii中實現了寬帶的拉曼-克爾頻率梳，其輸出帶寬超過200納米。他們還進一步建立理論仿真模型對該現象進行了數值模擬，進一步從理論上驗證了該理論設計和實驗結果的準確性，如圖2所示。

圖2 不同結構中的片上集成拉曼激光輸出譜。(a)-(e) 高品質硫系微環腔。(f) 級聯拉曼激光輸出。(g) 寬帶拉曼-克爾頻率梳輸出。

相關工作以“Engineered Raman Lasing in Photonic Integrated Chalcogenide Microresonators”為題，于2022年1月30日在線發表于Laser & Photonics Review。該工作由中山大學為完成單位，中山大學李朝暉教授團隊的博士生夏迪和碩士生黃譽斐為共同第一作者，張斌副教授和李朝暉教授為共同通訊作者。該研究得到了科技部變革性技術關鍵科學問題重點專項 (2019YFA0706301), 科技部寬帶通信和新型網絡重點專項(2018YFB1801003), 國家自然科學基金 (U2001601, 61975242, 61525502, 11974234, 62035018), 廣東省重大科技專項 (2019A1515010774)等項目的支持。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/lpor.202100443