集成光學是一種用來制作集成光學器件、光子集成回路或者平面光波回路的技術，其中集成光源、分束器、調(diào)制器、高約束波導等集成光學器件的應用，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向集成中紅外和太赫茲光子學在通信和傳感領域的研究。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、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)邦理工學院的Giacomo Scalari教授和Urban Senica博士帶領的研究團隊基于集成在低損耗聚合物平面化的雙金屬、高約束波導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平臺示意圖

在復雜的集成光學系統(tǒng)中，激光集成的關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。研究團隊所提出的集成光子平臺，能夠利用無源器件進行信號傳播，并為寬帶傳感和電子通信等應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現(xiàn)高效的信號處理。

在實驗中，研究人員致力于寬帶器件和頻梳器件，突出了色散、射頻、熱性能等多個關鍵品質因數(shù)的改進，在同一光子芯片上實現(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，這種波導早已在太赫茲和微波領域被證明非常有效。

研究團隊表示，橫向模式的控制對于獲得規(guī)則的梳頻譜至關重要。由于波導損耗增加，側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，可以獲得類似的結果。然而，對于傳統(tǒng)的雙金屬脊而言，由于波導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)上結合會引入缺陷，增加波導損耗，有損害器件的長期性能及其光譜特性的風險。

但在該團隊設計的集成光學平臺中，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，遠低于接合線尺寸。窄波導寬度可以用作基本橫向激光模式的有效選擇機制，并且也有利于散熱和高溫連續(xù)波操作。

DOI: 10.1038/s41377-022-01058-2