芯片级激光器研发取得新进展

自 20 世纪 60 年代以来，激光给世界带来了革命性的变化，如今已成为从尖端手术和精密制造到光纤数据传输等现代应用中不可或缺的工具。

但是，随着激光应用需求的增长，挑战也随之而来。例如，光纤激光器的市场正在不断扩大，目前主要用于工业切割、焊接和打标应用。

光纤激光器使用掺杂稀土元素（铒、镱、钕等）的光纤作为光学增益源（产生激光的部分）。光纤激光器能发出高质量的光束，输出功率高，效率高，维护成本低，经久耐用，而且体积通常比气体激光器小。光纤激光器还是低相位噪声的 “黄金标准”，这意味着它们的光束可以长期保持稳定。

尽管如此，人们对芯片级光纤激光器微型化的需求仍在不断增长。基于铒的光纤激光器尤其令人感兴趣，因为它们符合保持激光器高相干性和稳定性的所有要求。但是，如何在小尺度上保持光纤激光器的性能，一直是微型化光纤激光器面临的挑战。

现在，EPFL 的Yang Liu博士和 Tobias Kippenberg 教授领导的科学家们制造出了首台芯片集成的掺铒波导激光器，其性能接近光纤激光器，同时兼具宽波长可调谐性和芯片级光子集成的实用性。这项研究发表在《自然·光子学》（Nature Photonics）上。

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构建芯片级激光器

研究人员采用最先进的制造工艺开发了芯片级铒激光器。他们首先在超低损耗氮化硅光子集成电路的基础上构建了一个一米长的片上光腔（一组提供光反馈的反射镜）。

Yang Liu博士说：“尽管芯片尺寸小巧，但我们仍能将激光腔设计成一米长，这要归功于这些微孔谐振器的集成，它们能有效延长光路，而不会在物理上增大器件。”

然后，研究小组在电路中植入高浓度铒离子，选择性地产生激光所需的有源增益介质。最后，他们将电路与 III-V 族半导体泵浦激光器集成，以激发铒离子，使其发光并产生激光束。

为了完善激光器的性能并实现精确的波长控制，研究人员设计了一种创新的腔内设计，其特点是基于微孔的 Vernier 过滤器，这是一种可以选择特定光频的光学过滤器。

这种滤光片可以在很大范围内对激光波长进行动态调整，从而使其具有多功能性，适用于各种应用。这种设计支持稳定的单模激光，其内在线宽仅为 50 Hz，非常窄，令人印象深刻。

它还具有显著的边模抑制功能--激光能够以单一、稳定的频率发光，同时将其他频率（“边模”）的强度降至最低。这确保了高精度应用在整个光谱范围内的 “干净 ”和稳定输出。

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基于掺铒光子集成电路的混合集成激光器的光学图像，提供光纤激光器的相干性和以前无法实现的频率可调谐性。

功率、精度、稳定性和低噪音

芯片级铒光纤激光器的输出功率超过 10 mW，侧模抑制比超过 70 dB，优于许多传统系统。

它还具有非常窄的线宽，这意味着它发出的光非常纯净和稳定，这对于传感、陀螺仪、激光雷达和光学频率计量等相干应用非常重要。

基于微孔的 Vernier 滤波器使激光器在 C 波段和 L 波段（用于电信的波长范围）内具有 40 nm 的宽波长可调谐性，在调谐和低光谱尖刺指标（“尖刺 ”是不需要的频率）方面都超越了传统光纤激光器，同时与当前的半导体制造工艺保持兼容。

下一代激光器

将铒光纤激光器微型化并集成到芯片级设备中可降低其总体成本，使其可用于电信、医疗诊断和消费电子产品领域的便携式高度集成系统。

它还能缩小光学技术在其他各种应用中的规模，如激光雷达、微波光子学、光频合成和自由空间通信。

相关链接：https://phys.org/news/2024-06-chip-scale-erbium-based-laser.html

论文链接：https://dx.doi.org/10.1038/s41566-024-01454-7