Nature photonics：新一代激光器，芯片级铒基激光器

研究背景

      自20世纪60年代以来，激光已经在经济发展、国家安全、科学研究、教育教学等多个领域得到广泛应用，被誉为和半导体、计算机、原子能齐名的二十世纪‘四大发明。随着激光应用需求的增加，挑战也随之而来。例如，光纤激光器的市场正在不断扩大，这些激光器目前主要应用在制造、通讯、医疗等方向。光纤激光器使用掺有稀土元素（如铒、镱、钕等）的光纤作为其光学增益介质，发射高质量的光束，具有高功率输出、效率高、维护成本低、耐用性强、体积小等优点。

      掺铒光纤激光器(EDFLs)已成为分布式声学传感、光学陀螺仪、自由空间光传输、光频率测量等不可缺少的高相干激光光源。EDFLs具有全光纤腔、无准直元件和良好的激光辐射约束等优点，可实现高光束质量。与短增益半导体介质相比，它们受益于铒基增益介质特性，包括慢增益动态、温度不敏感、低放大相关噪声系数以及与振荡模式耦合的更低自发辐射。这种新型的低噪声、可调谐集成激光器，可应用于激光雷达、微波光子学、光学频率合成和自由空间通信，并可使用不同的稀土离子，实现波长扩展。

论文导读

      在光子集成电路中赋予铒基增益可以为将低噪声光纤激光器小型化到芯片级尺寸并实现大规模应用提供基础。尽管基于硅光子学和III-V增益介质的集成激光器取得了重大进展，但实现低噪声集成铒基激光器仍然是不可实现的。基于光子集成电路的高功率掺铒放大器的最新进展，作者展示了一个完全集成的铒激光器，实现了50 Hz的固有线宽，高达17 mW的高输出功率，低强度噪声和III-V泵浦激光器的集成，接近光纤激光器和最先进的半导体扩展腔激光器的性能。该激光电路基于铒离子注入的超低损耗氮化硅光子集成电路，具有腔内微晶化的微调滤波器，可在光学C和L波段内实现>40 nm的波长可调性，并实现70 dB的侧模抑制比。这种新型的低噪声、可调谐集成激光器可以应用于激光雷达、微波光子学、光频率合成和自由空间通信，并且可以使用不同的稀土离子种类来扩展波长。该研究以“A fully hybrid integrated erbium-based laser”为题于2024年6月发表于Nature Photonics。

主要研究内容

      在这项工作中，作者展示了使用Si₃N₄光子集成电路的混合集成EDWLs，其具有超低强度的噪声，内在线宽仅为50 Hz，输出功率高达17 mW，并集成了III-V族泵浦激光器，性能接近光纤激光器和最先进的半导体扩展腔激光器。研究人员使用最先进的制造工艺开发了这个芯片级激光器。他们首先在超低损耗氮化硅光子集成电路上，构建了一个片上光腔；然后，在电路中植入高浓度铒离子，以选择性地产生激光所需的有源增益介质；最后通过激发铒离子使其能够发光并产生激光束。对于这一进展至关重要的是铒注入氮化硅(Er:Si₃N₄)波导，它可以提供>30 dB的净增益和>100 mW的输出功率。为了改进激光器性能并实现精确的波长控制，进行了创新的腔内设计，使其具有一种基于微环的游标滤光片。这是一种能够选择特定光频的光学滤光片。这种滤光片可以在很大范围内对激光波长进行动态调整，从而使其具有多功能性，适用于各种应用。这种设计支持稳定的单模激光，其内在线宽仅为 50 Hz。此外，Si₃N₄光子集成电路在通信波段没有双光子吸收，具有空间兼容性的辐射硬度，高达数十瓦的高功率处理，比硅更低的温度灵敏度和低布里渊散射。总之，作者展示了一种基于光子集成电路的铒激光器，该激光器实现了低于100 Hz的固有线宽，低RIN噪声，>72 dB的SMSR和40 nm宽的波长可调性，功率超过10 mW。

技术突破

      研究人员采用最先进的制造工艺开发了芯片级铒激光器。首先在超低损耗氮化硅光子集成电路的基础上构建了一个一米长的片上光腔。图1a所示的激光器件结构为线性光腔，其具有螺旋掺铒增益波导和两端由Sagnac环形反射镜组成的两个反射器。一个二向色环形反射镜由一个二向色定向耦合器组成，允许激光在1,550 nm附近反射，光泵浦在1,480 nm附近传输，另一个反射镜部署了一个短波导分路器，用于宽带反射。光泵也可以通过连接到微环总线波导的波导锥注入。如图1d所示，作者采用两个级联加降微环谐振器(100 GHz FSR，差为2 GHz)，设计了一种窄带腔内游标滤波器，可实现低于千兆赫兹的3db带宽和5太赫兹的自由频谱范围(FSR)。研究团队在芯片中植入高浓度铒离子，选择性地产生激光所需的有源增益介质。图1e显示，该集成激光电路采用光子大马士革工艺制造，然后是选择性铒离子注入，后退火和加热器制造。最后，他们将电路与 III-V 族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。

      为了完善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，采用了基于微孔的 Vernier 滤光片，这是一种能够选择特定光频的光学滤光片。这种滤光片可以在很大范围内对激光波长进行动态调整，从而使其具有多功能性，适用于各种应用。这种设计支持稳定的单模激光，其内在线宽仅为 50 Hz。如图2a所示，作者通过混合集成在定制的14针蝴蝶封装中进行光子封装。在Er:Si₃N₄光子集成电路上，将1480 nm的InP Fabry-Pérot激光二极管边缘耦合到其中一个激光腔中(模拟耦合损耗<3 dB)。如图2b所示，在0.1 nm分辨率带宽下，采集到的激光输出光谱显示单模激光方式，侧模抑制比(SMSR) >70 dB，这是通过窄带腔内微调滤波器的降口实现的，该滤波器可以选择激光模式并抑制宽带放大的自发发射噪声。图2d,e中，作者通过表征中间总线波导的光传输特性来研究腔内滤波特性。图2g显示，如此大的游标滤波器FSR保证了在铒发射波长范围内的单波长激光。图2e显示通过重叠两个谐振腔的共振，即消除频率间隔，确定了激光波长。

观点评述

      本文主要展示了一种基于光子集成电路的铒激光器，该激光器实现了低于100 Hz的固有线宽，低RIN噪声，>72 dB的SMSR和40 nm宽的波长可调性，功率超过10 mW。EDWL使用与铸造厂兼容的氮化硅波导，具有将光纤激光相干性与低尺寸、低重量、低功率和低成本集成光子学相结合的潜力。将铒光纤激光器微型化并集成到芯片级设备中可降低其总体成本，使其可用于电信、医疗诊断和消费电子产品领域的便携式高度集成系统。它还能缩小光学技术在其他各种应用中的规模，如激光雷达、微波光子学、光频合成和自由空间通信。

      从长远的视角来看，本文这一技术突破还可能催生一系列全新的应用场景。随着物联网、自动驾驶、智能家居等技术的不断发展，对于高性能、小型化激光器的需求将不断增长。而这款芯片级铒基激光器正是满足这一需求的理想选择。然而，激光器的应用还是存在的挑战和困难。例如，如何进一步提高激光器的输出功率和效率、如何降低其制造成本等问题仍然需要研究人员继续探索和解决。并且高功率激光器的使用中存在很多挑战，包括激光的稳定性、最大限度的减少退化机制。同时高功率激光光束的传输和控制方面也存在挑战，需要探索如何确保光束的稳定性和指向精度，以及远距离的焦点控制。

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