耶鲁大学的一个研究小组已经开发出了第一个芯片级的掺钛蓝宝石激光器。在Hong Tan教授的领导下，这一实验性突破可能为原子钟、量子技术和基于光谱学的研究工作的新创新铺平道路。

钛蓝宝石（Ti:Sa）激光器自1982年问世以来，已被广泛用于化学、物理和生物领域。商用Ti:Sa系统提供从红色到近红外的约450纳米的波长调谐，线宽很窄。通过利用单个晶体，可以实现从650纳米到1100纳米左右的发光。由于其宽带增益，Ti:Sa晶体还能够产生飞秒脉宽的锁模脉冲。

Ti:Sa激光器产生低噪声辐射，光束具有高模式质量。这些特点有利于新兴的量子技术产业解决光子量子比特和原子量子平台。

自由空间Ti:Sa激光器的劣势
由于增益介质的特殊性，Ti:Sa激光器有别于其他激光技术，如半导体激光器、激光二极管和气体激光器。然而，商业化生产的Ti:Sa激光器是昂贵而复杂的系统，包括参考锁定腔、复杂的激光腔设计和高维护的泵浦激励激光器，所有这些都是由大型自由空间部件组成的。Ti:Sa激光器的阈值也比其他激光器高，因为增益介质的激发态寿命短，发光的离子浓度低，以及晶体形成过程中的正常残留物吸收。

制作紧凑型Ti:Sa激光器的研究工作

已经有一些研究努力使Ti:Sa激光系统变得紧凑。Ti:Sa微纤维、Whispering Gallery晶体以及通过热扩散和脉冲激光沉积产生的薄膜都被用来缩小Ti:Sa激光器的尺寸。然而，由于低指数差异和光学限制，光学模式一直是有效控制的一个挑战。因此，大量的辐射损失阻碍了用于操作Ti:Sa激光器的小型光子集成电路的创建。

芯片级的Ti:Sa激光器
耶鲁大学的研究小组展示了第一个芯片级Ti:Sa激光器，它跨越了Ti:Sa晶体和创纪录的低阈值无源光子电路（PIC）提供的全部光谱。发射信号是通过在氮化硅光子平台上直接集成Ti:Sa发光介质从输出波导产生的。涵盖700纳米到950纳米的近红外光谱的波长范围已经被证明。

在基于蓝宝石的PIC系统中，Ti:Sa腔体、相关的泵浦激光器和外部锁定腔体都可以被集成在一个芯片上。异质集成技术通过与不同的固态增益介质集成，为原子驱动光子系统的产生提供了新的实现方式。

由于其短寿命、低发射截面和低离子掺杂浓度，Ti:Sa激光器的增益较低，需要较大的泵浦功率。大多数在自由空间工作的Ti:Sa激光器的模式大于200平方微米，泵浦功率阈值高达1瓦。由于强大的约束因素，集成光子平台将模式尺寸减少到小于1平方微米，从而使阈值功率低于10毫瓦。

图1：Ti:Sa微镜装置的插图，显示了Ti:Sa增益、通过波导连接的泵浦光以及红色至红外波长范围内的发光。

传统的自由空间Ti:Sa激光器必须在腔内建立起大于300mW的功率，以达到0.2dB/cm的增益。另外，一个片上激光器只需要几十毫瓦的功率就可以建立0.4dB/cm的光学增强。由于泵浦模式与发光模式同时处于共振状态，泵浦微腔的增强大大降低了阈值。

由于微环谐振器在发射波长和泵浦波长上同时发生共振，芯片级集成激光器方法具有更高的光致发光效率。为了激发Ti:Sa增益，泵浦光通过环绕它的波导连接，如图1所描述。通过调整芯片温度，保持泵的谐振条件。放射模式连接到输出波导端口，也处于共振状态。

led的研究人员已经成功地从Ti:Sa在730-830纳米范围内实现了片上激光。通过比较异质集成激光器和参考激光器，确定激光器的线宽为120kHz。

未来展望
由Tan教授领导的耶鲁大学研究小组的新进展证明了芯片集成的Ti:Sa激光系统的毫瓦级激光阈值，其发射光谱很宽。预计Ti:Sa的集成最终会带来更多的芯片级能力，为片上原子钟、量子计量学、AR/VR装备和光通信系统打开大门。异质集成技术的适应性使更多的波导平台能够集成到光子工具箱中，以增加片上激光的发射光谱，包括铌酸锂、氮化铝和其他增益介质。

更多参考

Wang, Y., Holguín-Lerma, J.A., Vezzoli, M. et al. Photonic-circuit-integrated titanium:sapphire laser. Nat. Photon. (2023). https://doi.org/10.1038/s41566-022-01144-2

W.RapoportandC.P.Khattak,“Titanium sapphire laser characteristics,” Appl.optics 27,2677–2684(1988).

Swayne, M. (13 February 2023) Researchers Say Chip-Scale Titanium-Doped Sapphire Laser Could Advance Quantum Computing. [Online] TheQuantumIndsider.com. Available at: https://thequantuminsider.com/2023/02/13/researchers-say-chip-scale-titanium-doped-sapphire-laser-could-advance-quantum-computing/

Written by Ilamaran Sivarajah