EPFL 的芯片级铒激光器具有广泛的波长可调性

2024 年 6 月 13 日

开发人员表示，输出功率超过 10 mW – 性能优于许多传统系统。

光纤激光器使用掺杂稀土元素（铒、镱、钕等）的光纤作为光增益源。它们发射出高质量的光束，高效耐用，而且通常比气体激光器更小。据科学家称 洛桑联邦理工学院 （瑞士洛桑联邦理工学院）光纤激光器现已成为低相位噪声的“黄金标准”，这意味着它们的光束随时间保持稳定。

但尽管如此，对芯片级光纤激光器小型化的需求日益增长。铒基光纤激光器之所以受到关注，是因为它们满足了保持激光器高相干性和稳定性的所有要求。但小型化它们面临着在小尺寸下保持其性能的挑战。

现在，由杨刘博士和 EPFL 的 Tobias Kippenberg 教授领导的科学家已经制造出有史以来第一台芯片集成掺铒波导激光器，其性能接近光纤激光器，将宽波长可调性与芯片级光子集成的实用性相结合。该研究发表在 自然光子学。

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。他们首先构建了一个基于超低损耗氮化硅光子集成电路的米长片上光学腔。刘博士说：“尽管芯片尺寸紧凑，我们仍能够将激光腔设计成米级长度，这要归功于这些微环谐振器的集成，它们有效地延长了光路，而无需物理扩大设备。”

随后，该团队将高浓度的铒离子植入电路，以选择性地创建激光发射所需的活性增益介质。最后，他们将电路与 III-V 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。为了改进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，采用基于微环的 Vernier 滤波器，这是一种可以选择特定频率光的光学滤波器。

动力强劲、精度高、稳定、噪音低

这些滤波器允许在很宽的范围内动态调整激光器的波长，使其用途广泛，可用于各种应用。这种设计支持稳定的单模激光，其固有线宽非常窄，仅为 50 Hz。它还可以实现显著的侧模抑制——激光器能够以单一、一致的频率发光，同时最大限度地降低侧模的强度。这确保了高精度应用在整个光谱范围内的稳定输出。

新型激光器的输出功率超过 10 mW，边模抑制比超过 70 dB，性能优于许多传统系统。EPFL 表示，它还具有较窄的线宽，这意味着它发出的光“非常纯净和稳定”，这对于传感、陀螺仪、激光雷达和光频计量等相干应用非常重要。

基于微环的游标滤光片使激光器在 C 波段和 L 波段具有 40 nm 的宽波长可调性，在调谐和低光谱杂散指标方面均超越传统光纤激光器，同时与当前的半导体制造工艺兼容。