重大突破！芯片大小的激光器或将取代光纤激光器？

2024-06-24 17:08

近日，来自洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员开发了一种芯片集成的掺铒波导激光器，这一新型激光器的性能接近光纤激光器的性能，结合了可调谐性和芯片级光子集成的实用性。

众所周知，光纤激光器使用掺杂稀土元素的光纤作为增益介质。因此与二氧化碳等气体激光器相比具备了高光束质量、高功率、高效率、尺寸小以及光纤输出与柔性加工平台的无缝融合等优势

而为了满足对芯片级光纤激光器的需求，研究人员转向铒作为增益介质。铒基光纤激光器满足保持高相干性和稳定性的要求而特别有前景。但长期以来，由于难以保持其特有的高性能，铒基光纤激光器小型化一直难以实现。

为此，研究人员首先基于超低损耗氮化硅光子集成电路构建了一米长的片上光腔。洛桑联邦理工学院光子学和量子测量实验室的研究员Yang Liu认为：尽管芯片尺寸紧凑，但我们能够将激光腔设计为米级长度，这要归功于这些微环谐振器的集成，这些谐振器有效地扩展了光路，而无需物理放大器件。

重大突破！芯片大小的激光器或将取代光纤激光器？

然后，该团队在电路中植入了高浓度的铒离子，以选择性地产生激光所需的有源增益介质。最后，他们将电路与III－V族半导体泵浦激光器集成在一起，以激发铒离子，使它们能够发光并产生激光束。

为了改进激光器的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，其特点是基于微环的游标滤光片，这是一种可以选择特定频率光的滤光片，以提高激光器的性能并实现精确的波长控制。

该滤光片允许在C波段和L波段内对40 nm的激光波长进行动态调谐，这在调谐和低光谱杂散指标方面都超过了传统的光纤激光器，同时保持与当前半导体制造工艺的兼容性。该设计支持稳定的单模激光，固有线宽为50Hz。

芯片级铒基光纤激光器的输出功率超过10 mW，侧模抑制比大于70 dB，性能优于许多传统激光器。其窄线宽使其能够发出纯净而稳定的光，非常适合传感、陀螺仪、激光雷达和光学频率计量等相干应用。

将铒光纤激光器缩小并整合到芯片级设备中可以使其变得更加经济实惠，为消费电子、医疗诊断和电信领域高度集成的移动系统开辟新的应用。它还可以缩小其他几个应用中的光学技术，包括激光雷达、微波光子学、光频率合成和自由空间通信。

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