自 20 世紀 60 年代以來，激光給世界帶來了革命性的變化，如今已成為從尖端手術(shù)和精密制造到光纖數(shù)據(jù)傳輸?shù)痊F(xiàn)代應(yīng)用中不可或缺的工具。

但是，隨著激光應(yīng)用需求的增長，挑戰(zhàn)也隨之而來。例如，光纖激光器的市場正在不斷擴大，目前主要用于工業(yè)切割、焊接和打標應(yīng)用。

光纖激光器使用摻雜稀土元素（鉺、鐿、釹等）的光纖作為光學(xué)增益源（產(chǎn)生激光的部分）。光纖激光器能發(fā)出高質(zhì)量的光束，輸出功率高，效率高，維護成本低，經(jīng)久耐用，而且體積通常比氣體激光器小。光纖激光器還是低相位噪聲的 “黃金標準”，這意味著它們的光束可以長期保持穩(wěn)定。

盡管如此，人們對芯片級光纖激光器微型化的需求仍在不斷增長。基于鉺的光纖激光器尤其令人感興趣，因為它們符合保持激光器高相干性和穩(wěn)定性的所有要求。但是，如何在小尺度上保持光纖激光器的性能，一直是微型化光纖激光器面臨的挑戰(zhàn)。

現(xiàn)在，EPFL 的Yang Liu博士和 Tobias Kippenberg 教授領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家們制造出了首臺芯片集成的摻鉺波導(dǎo)激光器，其性能接近光纖激光器，同時兼具寬波長可調(diào)諧性和芯片級光子集成的實用性。這項研究發(fā)表在《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）上。

圖片:miniaturizing-a-laser.jpg

構(gòu)建芯片級激光器

研究人員采用最先進的制造工藝開發(fā)了芯片級鉺激光器。他們首先在超低損耗氮化硅光子集成電路的基礎(chǔ)上構(gòu)建了一個一米長的片上光腔（一組提供光反饋的反射鏡）。

Yang Liu博士說：“盡管芯片尺寸小巧，但我們?nèi)阅軐⒓す馇辉O(shè)計成一米長，這要歸功于這些微孔諧振器的集成，它們能有效延長光路，而不會在物理上增大器件。”

然后，研究小組在電路中植入高濃度鉺離子，選擇性地產(chǎn)生激光所需的有源增益介質(zhì)。最后，他們將電路與 III-V 族半導(dǎo)體泵浦激光器集成，以激發(fā)鉺離子，使其發(fā)光并產(chǎn)生激光束。

為了完善激光器的性能并實現(xiàn)精確的波長控制，研究人員設(shè)計了一種創(chuàng)新的腔內(nèi)設(shè)計，其特點是基于微孔的 Vernier 過濾器，這是一種可以選擇特定光頻的光學(xué)過濾器。

這種濾光片可以在很大范圍內(nèi)對激光波長進行動態(tài)調(diào)整，從而使其具有多功能性，適用于各種應(yīng)用。這種設(shè)計支持穩(wěn)定的單模激光，其內(nèi)在線寬僅為 50 Hz，非常窄，令人印象深刻。

它還具有顯著的邊模抑制功能--激光能夠以單一、穩(wěn)定的頻率發(fā)光，同時將其他頻率（“邊�！保┑膹姸冉抵磷畹汀＿@確保了高精度應(yīng)用在整個光譜范圍內(nèi)的 “干凈 ”和穩(wěn)定輸出。

圖片:miniaturizing-a-laser-1.jpg

基于摻鉺光子集成電路的混合集成激光器的光學(xué)圖像，提供光纖激光器的相干性和以前無法實現(xiàn)的頻率可調(diào)諧性。

功率、精度、穩(wěn)定性和低噪音

芯片級鉺光纖激光器的輸出功率超過 10 mW，側(cè)模抑制比超過 70 dB，優(yōu)于許多傳統(tǒng)系統(tǒng)。

它還具有非常窄的線寬，這意味著它發(fā)出的光非常純凈和穩(wěn)定，這對于傳感、陀螺儀、激光雷達和光學(xué)頻率計量等相干應(yīng)用非常重要。

基于微孔的 Vernier 濾波器使激光器在 C 波段和 L 波段（用于電信的波長范圍）內(nèi)具有 40 nm 的寬波長可調(diào)諧性，在調(diào)諧和低光譜尖刺指標（“尖刺 ”是不需要的頻率）方面都超越了傳統(tǒng)光纖激光器，同時與當前的半導(dǎo)體制造工藝保持兼容。

下一代激光器

將鉺光纖激光器微型化并集成到芯片級設(shè)備中可降低其總體成本，使其可用于電信、醫(yī)療診斷和消費電子產(chǎn)品領(lǐng)域的便攜式高度集成系統(tǒng)。

它還能縮小光學(xué)技術(shù)在其他各種應(yīng)用中的規(guī)模，如激光雷達、微波光子學(xué)、光頻合成和自由空間通信。

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論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1038/s41566-024-01454-7