微型化到芯片级的铒激光器

在光纤激光器和芯片级激光器需求不断增长的十字路口，洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员开发出一种芯片集成的掺铒波导激光器，其性能接近光纤激光器。它结合了宽波长可调谐性和芯片级光子集成的实用性。

EPFL的研究人员开发出一种基于掺铒光子集成电路的混合集成激光器（如图），克服了频率可调谐性方面的问题，满足了对芯片级光纤激光器日益增长的需求

光纤激光器使用掺杂稀土元素的光纤作为光增益。这些激光器因其稳定的高质量光束、高输出功率、高效率、低维护要求、耐用性以及与气体激光器相比更小的尺寸而备受青睐。

为了满足芯片级光纤激光器的需求，研究人员转而使用铒作为增益源。铒基光纤激光器符合保持高相干性和稳定性的要求。然而，由于在保持其特有的高性能方面存在挑战，微型化一直难以实现。

研究人员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1米长的片上光腔。洛桑联邦理工学院光子学与量子测量实验室研究员Yang Liu说：“尽管芯片尺寸小巧，但我们却能将激光腔设计成米级长度，这要归功于这些微谐振器的集成，它们能在不扩大设备物理尺寸的情况下有效延长光路。”

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滤光片，这是一种可以选择特定频率光的光学滤光片。

该滤波器可对C波段和L波段内40nm范围内的激光波长进行动态调谐，在调谐和低光谱尖刺（不需要的频率）指标方面均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。该设计支持稳定的单模激光，具有50Hz的窄本征线宽。

此外，它还具有显著的边模抑制功能，激光器能够以单一、稳定的频率发光，同时最大限度地降低其他频率（边模）的强度。在实践中，这使得高精度应用能够在整个光谱范围内实现 干净且稳定的输出。

这种芯片级铒光纤激光器的输出功率超过10mW，边模抑制比超过70dB，性能优于许多传统系统。它的窄线宽使其能够发出纯净稳定的光，是传感、陀螺仪、激光雷达和光学频率计量等相干应用的理想之选。

生产芯片级铒光纤激光器的能力可降低总体成本，提高便携式集成系统在电信、医疗诊断和消费类电子产品中的可用性。此外，它还能缩小光学技术在激光雷达、微波光子学、光频合成和自由空间通信等应用中的规模。