光纤激光器使用掺有稀土元素（铒、镱、钕等）的光纤作为其光学增益材料，在泵浦源的激励下发出高质量的光束，效率高且耐用，通常比其他类型激光器体积更小。尽管如此，对将光纤激光器微型化至芯片级别的需求日益增长。基于铒掺杂的光纤激光器片上微型化受到广泛关注，然而，窄线宽铒掺杂波导激光器面临的主要挑战是集成具有低背景噪声和长度足够长的有源波导，其长度范围通常从几十厘米到米级，以确保单频操作和提供足够的往返增益。
来自瑞士洛桑联邦理工学院的研究人员开发了首个芯片集成的掺铒波导激光器，采用米级长的铒掺杂氮化硅波导，可以提供超过30 dB的净增益和超过100 mW的输出功率，其性能接近光纤激光器和最先进的半导体扩展腔激光器。相关研究成果发表于Nature Photonics上。
芯片级激光器
研究人员使用最先进的制造工艺开发了芯片级掺铒激光器，其结构包含一个掺铒光子集成电路和一个边缘耦合的III-V族半导体泵浦激光二极管。首先，他们基于超低损耗的氮化硅光子集成电路构建了米级长的芯片光学腔，其腔内基于微环的Vernier滤波器能够在掺铒增益带宽内实现单模激光。“由于集成了微环谐振器，即使在紧凑的芯片尺寸下，我们也能够将激光腔设计为米级长度”研究人员说道。
图1 混合集成Vernier激光器的示意图
然后，研究人员在芯片中掺入了高浓度的铒离子，创建了激光所需的有源增益介质。最后，他们将光路与III-V族半导体泵浦激光器集成，以激发铒离子产生激光束。为了优化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——一种可以选择特定光频率的光学滤波器。
功率、精度、稳定性和低噪声
为了表征铒掺杂波导激光器的性能，研究人员对激光器进行了光子封装，如图2所示。该激光器显示出超过70 dB的边模抑制比，超过了以往集成掺铒激光器和光纤激光器的表现。同时，这些滤波器允许激光器在宽波长范围内动态调谐，使其在各种应用中具有多功能性和可用性。该设计支持输出稳定的单模激光，具有50 GHz的极窄本征线宽。同时，确保了在光谱范围内的单频稳定输出，适用于高精度测量应用。
图2 基于氮化硅光子集成电路的全封装的混合集成掺铒激光器
新激光器的输出功率已经超过10 mW，边模抑制比大于70 dB，性能优于许多传统系统。它还具有窄线宽，这意味着其发出的光“非常纯净和稳定”，研究人员表示，这对于传感、陀螺仪、激光雷达和光频率计量等相干应用至关重要。
基于微环的Vernier滤波器使激光器在C波段和L波段内实现40 nm的宽波长可调性，在调谐和低光谱伪影指标上均超越了传统光纤激光器。同时，该铒掺杂波导激光器兼容当前的半导体制造工艺，具有结合光纤激光器相干性和集成光子学低尺寸、功耗和成本的潜力。这类激光器可应用在如相干传感的现有技术上，同时也为需要高产量的新兴应用提供了潜在性解决方案，例如相干激光雷达、光子雷达和相干光通信。