EPFL科研團(tuán)隊(duì)研制出芯片集成摻鉺波導(dǎo)激光器

  自 20 世紀(jì) 60 年代以來(lái)，激光給世界帶來(lái)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(zhǎng)，挑戰(zhàn)也隨之而來(lái)。例如，光纖激光器的市場(chǎng)正在不斷擴(kuò)大，目前主要用于工業(yè)切割、焊接和打標(biāo)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(hù)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(biāo)準(zhǔn)”，這意味著它們的光束可以長(zhǎng)期保持穩(wěn)定。

  盡管如此，人們對(duì)芯片級(jí)光纖激光器微型化的需求仍在不斷增長(zhǎng)?；阢s的光纖激光器尤其令人感興趣，因?yàn)樗鼈兎媳３旨す馄鞲呦喔尚院头€(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(tái)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(shí)兼具寬波長(zhǎng)可調(diào)諧性和芯片級(jí)光子集成的實(shí)用性。這項(xiàng)研究發(fā)表在《自然·光子學(xué)》(Nature Photonics)上。

  構(gòu)建芯片級(jí)激光器

  研究人員采用最先進(jìn)的制造工藝開(kāi)發(fā)了芯片級(jí)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(gè)一米長(zhǎng)的片上光腔(一組提供光反饋的反射鏡)。

  Yang Liu博士說(shuō)：“盡管芯片尺寸小巧，但我們?nèi)阅軐⒓す馇辉O(shè)計(jì)成一米長(zhǎng)，這要?dú)w功于這些微孔諧振器的集成，它們能有效延長(zhǎng)光路，而不會(huì)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(shí)現(xiàn)精確的波長(zhǎng)控制，研究人員設(shè)計(jì)了一種創(chuàng)新的腔內(nèi)設(shè)計(jì)，其特點(diǎn)是基于微孔的 Vernier 過(guò)濾器，這是一種可以選擇特定光頻的光學(xué)過(guò)濾器。

  這種濾光片可以在很大范圍內(nèi)對(duì)激光波長(zhǎng)進(jìn)行動(dòng)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(jì)支持穩(wěn)定的單模激光，其內(nèi)在線(xiàn)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(shí)將其他頻率(“邊模”)的強(qiáng)度降至最低。這確保了高精度應(yīng)用在整個(gè)光譜范圍內(nèi)的 “干凈 ”和穩(wěn)定輸出。

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

  它還具有非常窄的線(xiàn)寬，這意味著它發(fā)出的光非常純凈和穩(wěn)定，這對(duì)于傳感、陀螺儀、激光雷達(dá)和光學(xué)頻率計(jì)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(zhǎng)范圍)內(nèi)具有 40 nm 的寬波長(zhǎng)可調(diào)諧性，在調(diào)諧和低光譜尖刺指標(biāo)(“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(shí)與當(dāng)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(jí)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(fèi)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(dá)、微波光子學(xué)、光頻合成和自由空間通信。

  相關(guān)鏈接：https://phys.org/news/2024-06-chip-scale-erbium-based-laser.html

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