自1960 年代以來，雷射改變了世界，成為現代應用中不可或缺的重要工具，包括先進的外科手術、精密製造和透過光纖進行資料傳輸。但是，隨著雷射應用需求的成長，挑戰也與日俱增。例如，光纖雷射的市場正在不斷擴大，目前主要用於工業切割、焊接和打標應用。

基於氮化矽光子積體電路的全封裝混合整合鉺雷射的光學影像，可提供光纖雷射相干性和以前無法實現的頻率可調諧性。資料來源：Andrea Bancora 和Yang Liu（洛桑聯邦理工學院）

光纖雷射使用摻雜稀土元素（鉺、鐿、釹等）的光纖作為光增益源（產生雷射的部分）。光纖雷射能發出高品質的光束，輸出功率高，效率高，維護成本低，經久耐用，體積通常比氣體雷射小。光纖雷射也是低相位雜訊的”黃金標準”，這意味著它們的光束可以長期保持穩定。

儘管如此，人們對晶片級光纖雷射微型化的需求仍在不斷增長。基於鉺的光纖雷射尤其令人感興趣，因為它們符合保持雷射高相干性和穩定性的所有要求。但是，要實現光纖雷射的微型化，就必須在小尺度上保持其性能。

現在，EPFL的劉洋博士和Tobias Kippenberg 教授領導的科學家們製造出了首台晶片集成的摻鉺波導雷射器，其性能接近光纖雷射器，將寬波長可調諧性與晶片級光子集成的實用性相結合。這項突破發表在《自然-光子學》（Nature Photonics）上。

製造晶片級雷射

研究人員採用最先進的製造流程開發出了晶片級鉺雷射。他們首先在超低損耗氮化矽光子積體電路的基礎上建構了一個一公尺長的片上光腔（一組提供光回饋的反射鏡）。

劉博士說：”儘管晶片尺寸小巧，但我們卻能將雷射腔設計成米級長度，這要歸功於這些微oring諧振器的集成，它們能在不增大設備物理尺寸的情況下有效延長光路。

然後，研究團隊在電路中植入高濃度鉺離子，選擇性地產生雷射所需的主動增益介質。最後，他們將電路與III-V 族半導體泵浦雷射集成，以激發鉺離子，使其發光並產生雷射光束。

基於摻鉺光子積體電路的混合整合雷射的光學影像，該雷射具有光纖雷射相干性和以前無法實現的頻率可調諧性。資料來源：Yang Liu（洛桑聯邦理工學院）

為了完善雷射的性能並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，其特點是基於微孔的Vernier 過濾器，這是一種可以選擇特定光頻的光學過濾器。

濾波器可在很大範圍內對雷射波長進行動態調整，使其在各種應用中都能發揮作用。這種設計支援穩定的單模激光，其內部寬度僅為50 Hz，非常窄，令人印象深刻。

它還具有顯著的邊模抑制功能–雷射能夠以單一、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範圍內的”乾淨”和穩定輸出。

這種晶片級鉺光纖雷射的輸出功率超過10 mW，邊模抑制比超過70 dB，性能優於許多傳統系統。

它還具有非常窄的線寬，這意味著它發出的光非常純淨和穩定，這對於感測、陀螺儀、雷射雷達和光學頻率計量等相干應用非常重要。

基於微光的Vernier 濾波器使雷射在C 波段和L 波段（用於電信的波長範圍）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”不需要的頻率）方面都超越了傳統光纖雷射器，同時與目前的半導體製造流程保持相容。

將鉺光纖雷射微型化並整合到晶片級設備中可降低其總體成本，使其可用於電信、醫療診斷和消費性電子等領域的便攜式高度整合系統。

它還可以縮小光學技術在其他各種應用中的規模，如雷射雷達、微波光子學、光頻合成和自由空間通訊。

“這種新型摻鉺整合雷射的應用領域幾乎是無限的，”Liu 說。

編譯來源：ScitechDaily