Nature！这台光刻机，助力首台芯片级钛宝石激光器问世 ！

发布日期：2024-09-27

文章名称：Titanium:sapphire-on-insulator integrated lasers and amplifiers

期刊名称：Nature IF：50.5

DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07457-2

【引言】

钛：蓝宝石激光器因其宽广的带宽和可调谐范围，在基础研究和技术应用中发挥着不可替代的作用。然而，其庞大的体积、高昂的成本以及对高功率泵浦源的需求极大地限制了应用范围。

近日，斯坦福大学的相关研究人员利用小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3成功开发了一种新型的单晶钛：蓝宝石-绝缘体的光学器件。该器件显著降低了钛：蓝宝石激光器的尺寸和生产成本。与传统的钛：蓝宝石激光器相比，新研发的钛：蓝宝石激光器在体积上缩小了10000倍，成本降低了1000倍。在生产规模、制备效率和成本方面取得了突破性进展。这一成果有望将钛蓝宝石激光器从大型实验室设备转变为便携式、低成本的工具，从而推动其在更多领域的应用。相关研究成果以《Titanium:sapphire-on-insulator integrated lasers and amplifiers》为题，发表于SCI期刊《Nature》上。

本文中钛：蓝宝石激光器的微纳加工过程均采用小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3。该系统无需掩膜板，可以在非传统基底上灵活实现各种高精度的光刻任务，能够满足科研中对光刻和套刻的不同需求。设备采用集成化设计、结构小巧紧凑（70 cm X 70 cm X 70 cm），适合任何实验室桌面。同时，其基于创新性的全自动控制，具有可靠性高、操作简便、直写速度快，分辨率高（XY：<1 μm）等特点。凭借这些优势，MicroWriter ML3满足了本研究对灵活光刻的所有需求。

小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3

【图文导读】

图1. 钛：蓝宝石激光器的低损耗的光电性能和毫瓦级阈值。a)在绝缘基底上制备钛：蓝宝石的过程。b)一束由钛：蓝宝石激光器产生的片上激光（虚线围起部分）。c)所制备激光器件的光学表征结果。d)所制备的微盘谐振器的SEM表征结果。e)所制备的借光器在805nm波长条件下，质量因子可达1.3 X 10⁶。f)从290μW开始，激光由微盘谐振器产生明显增强。g)利用电子束曝光所制备的波导。h)波导的横截面。i)在532 nm和800 nm条件下的强度图谱模拟结果。j)波导荧光的指数型衰减。

图2. 钛：蓝宝石激光器的微纳加工过程。a) 对钛：蓝宝石基底要进行磨削和抛光。b)利用MicroWriter ML3光刻工艺和干法刻蚀制备微盘谐振器。c)利用电子束光刻和干法刻蚀工艺制备波导。

图3. 宽调谐，窄带宽的集成蓝宝石激光器。a)激光器的工作原理示意图。b)钛：蓝宝石激光器的可调节输出功率与输入功率的比较。c)激光图谱结果（上）和ASE的背景信号（下）。d)波长调谐结果（上）和加载在微热源上的反馈稳定结果（下）。e)在140kHz条件下，测量的激光线宽。

图4. 被集成的钛：蓝宝石激光器驱动的人造结构的量子光学性能。a) 钛：蓝宝石激光器用于控制QED系统的示意图。b)-e)QED空腔实验结果。

【结论】

综上所述，斯坦福大学相关课题组通过微纳加工工艺成功制备了高度集成、低成本、低功耗的钛：蓝宝石激光器。所制备的器件为量子光学，图谱学和医学等领域的相关应用奠定了坚实的基础。从论文中可以看出，小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3凭借其灵活的光刻手段，为各类研究中微纳器件的优化和迭代提供了保障，加快研究进度，助力相关研究。