EPFL科研團隊研制出芯片集成摻鉺波導激光器

  自 20 世紀 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據傳輸等現代應用中不可或缺的工具。

  但是，隨著(zhù)激光應用需求的增長(cháng)，挑戰也隨之而來(lái)。例如，光纖激光器的市場(chǎng)正在不斷擴大，目前主要用于工業(yè)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(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(zhù)它們的光束可以長(cháng)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(cháng)?；阢s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(lǐng)導的科學(xué)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(shí)兼具寬波長(cháng)可調諧性和芯片級光子集成的實(shí)用性。這項研究發(fā)表在《自然·光子學(xué)》(Nature Photonics)上。

  構建芯片級激光器

  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(gè)一米長(cháng)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，但我們仍能將激光腔設計成一米長(cháng)，這要歸功于這些微孔諧振器的集成，它們能有效延長(cháng)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)現精確的波長(cháng)控制，研究人員設計了一種創(chuàng )新的腔內設計，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對激光波長(cháng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)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(xiàn)寬僅為 50 Hz，非常窄，令人印象深刻。

  它還具有顯著(zhù)的邊模抑制功能，激光能夠以單一、穩定的頻率發(fā)光，同時(shí)將其他頻率(“邊?！?的強度降至最低。這確保了高精度應用在整個(gè)光譜范圍內的 “干凈 ”和穩定輸出。

  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)現的頻率可調諧性。

  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(guò) 10 mW，側模抑制比超過(guò) 70 dB，優(yōu)于許多傳統系統。

  它還具有非常窄的線(xiàn)寬，這意味著(zhù)它發(fā)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(xué)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(cháng)范圍)內具有 40 nm 的寬波長(cháng)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(shí)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(chǎn)品領(lǐng)域的便攜式高度集成系統。

  它還能縮小光學(xué)技術(shù)在其他各種應用中的規模，如激光雷達、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