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和精密制造到光纖數據傳輸等現代應用中不可或缺的工具。

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

光纖激光器使用摻雜稀土元素(鉺、鐿、釹等)的光纖作為光學增益源(產生激光的部分)。光纖激光器能發出高質量的光束，輸出功率高，效率高，維護成本低，經久耐用，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。

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

構建芯片級激光器

研究人員采用最先進的制造工藝開發了芯片級鉺激光器。他們首先在超低損耗氮化硅光子集成電路的基礎上構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，但我們仍能將激光腔設計成一米長，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，選擇性地產生激光所需的有源增益介質。最后，他們將電路與 III-V 族半導體泵浦激光器集成，以激發鉺離子，使其發光并產生激光束。

為了完善激光器的性能并實現精確的波長控制，研究人員設計了一種創新的腔內設計，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過濾器。

這種濾光片可以在很大范圍內對激光波長進行動態調整，從而使其具有多功能性，適用于各種應用。這種設計支持穩定的單模激光，其內在線寬僅為 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、穩定的頻率發光，同時將其他頻率(“邊模”)的強度降至最低。這確保了高精度應用在整個光譜范圍內的 “干凈 ”和穩定輸出。

功率、精度、穩定性和低噪音

芯片級鉺光纖激光器的輸出功率超過 10 mW，側模抑制比超過 70 dB，優于許多傳統系統。

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

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)內具有 40 nm 的寬波長可調諧性，在調諧和低光譜尖刺指標(“尖刺 ”是不需要的頻率)方面都超越了傳統光纖激光器，同時與當前的半導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備中可降低其總體成本，使其可用于電信、醫療診斷和消費電子產品領域的便攜式高度集成系統。

它還能縮小光學技術在其他各種應用中的規模，如激光雷達、微波光子學、光頻合成和自由空間通信。

審核編輯 黃宇