该激光器采用线性光学腔结构，其中包含螺旋掺铒增益波导和两端由萨格纳环形镜形成的反射器（图1a）。一个由分束定向耦合器组成的偏振分束器允许在1550 nm附近进行激光反射和在1480 nm附近进行光泵传输，另一反射器采用宽带反射短波导分束器。光泵还可以通过连接到微环总线波导的波导锥形耦合器注入。该激光器（图1b）具有紧凑的尺寸，仅为2×3 mm²，并采用紧密排列的0.2 m长的掺铒氮化硅螺旋波导（图1c），其截面为0.7×2.1 μm²。为了确保单模激光运转并实现亚GHz（~200 MHz）的小激光腔模式间隔，该装置还采用了两个级联的加-减微环共振器组成的窄带腔内微分滤波器（图1d）。集成微加热器用于温度控制。将微分滤波器的峰值传输波长与腔纵模对准。该集成激光电路采用光子掩模工艺进行制造，随后进行铒离子选择性注入、退火和加热器制作（图1e）。

为了实现全集成铒掺杂波导激光器，研究人员在定制的引脚蝴蝶封装中通过混合集成进行了光子封装。1480 nm磷化铟法布里-珀罗激光二极管通过边缘耦合与Er:Si₃N₄光子集成电路上的一个激光腔耦合（图2a），模拟耦合损耗小于3 dB。激光输出波导通过端面耦合并用UHNA7光纤粘接至SMF-28光纤适配器，在1550 nm处的耦合损耗为2.7 dB。泵激光二极管、帕尔贴元件、热敏电阻以及所有微加热器通过金丝键合连接到蝴蝶引脚上。集成的微加热器用于控制微分滤波器和相移器部分的温度，以实现单模激光和波长调谐。铒离子通过多纵模泵浦激光二极管在波长为1480 nm附近的4 nm光谱线宽范围内发射的泵浦光被激发，实现了1.9 dBcm^-1的净增益系数。收集的激光输出的光学光谱显示单模激光运转在0.1 nm分辨率带宽下侧模抑制比>70 dB（图2b），这通过窄带通腔内分光滤波器的滴流口实现，该滤波器可以选择激光模式并排斥宽带放大自发辐射噪声。这一前所未有的侧模抑制比超越了集成铒激光器、光纤激光器和集成半导体基激光器的性能，通常在60 dB或更低，通常受腔内滤波性能的限制。相反，在基于光纤的铒激光器中实现宽带波长调谐能力非常具有挑战性，因为基于长布拉格光栅的滤波组件只能提供几吉赫兹宽的通带且带有光栅边带和缺乏宽带波长调谐能力。当调节泵浦功率时，在芯片外的激光阈值泵浦功率约为20毫瓦，在芯片上的斜效率为6.7%（图2b附图），可以通过减少耦合损耗和腔损耗进一步优化。在阈值测量中，尽管在1.565 nm附近显示了3 mW的输出功率，但通过主动优化滤波器对准和腔相位移以及进一步增加泵浦功率，可以获得更高的输出功率（图3）。完封装激光器在使用完全稳定化的光学频率梳进行异频拍频测量时，显示了<20兆赫的频率漂移（图2c），这表明由于激光器由谐振腔和增益介质组成的单块结构，因此，具有良好的频率稳定性。在为期24小时的测试中，该自由运转激光器的频率漂移为<140 MHz，未出现模式跳跃，这意味着其长期频率稳定性与商业二极管激光器相当。

光子集成电路和游标结构的使用能够赋予集成铒激光器宽波长调谐，这是体光纤激光器所缺乏的能力。通过表征中间总线波导的光传输来研究腔内滤波特性（图2d，e）。用于游标滤波器的单个谐振器的测量透射率，如图2f所示，实验获得了设计的2 GHz自由光谱范围，导致测量的游标滤波器自由光谱范围为4.65 THz，对应于1550.0 nm波长附近37.1 nm的跨度（图2g，h）。如此大的无游标滤光片光谱范围确保了铒发射波长范围内的单波长激光发射（图2g）。通过重叠两个谐振器的谐振，即消除频率间隔（图2e），可以确定激光波长。通过拟合194.8 THz附近的谐振线宽（图2i），得到了外部耦合率 κ_ex,0/2π=411.0 MHz（微环和总线波导之间）和固有损耗率κ₀/2π=42.5 MHz。这种强过耦合配置（κ_ex>/κ₀>10）可以确保游标滤波器同时实现636 MHz的窄3-dB通带带宽且原则上具有低插入损耗。这种强过耦合可以允许游标过滤器的低损耗运行，然而，这在当前的设备中无法实现。由于从基本波导模式到高阶模式的耦合引起的寄生损耗，游标滤波器的插入损耗为-3.2 dB，这导致了0.87的次优耦合理想。使用滑轮式耦合器或单模赛道谐振器，由于减少了对高阶模式的寄生耦合，可以实现接近单位的耦合理想，从而降低滤波插入损耗。

为了实现自由运行的掺铒波导激光器的低噪声特性，研究人员表征了频率噪声、固有激光线宽和相对强度噪声（图4a）。首先，将参考外腔二极管激光器调谐到掺铒波导激光器的1560 nm附近的激光波长，输出功率约为3 mW，用于外差光电探测。使用Welch方法对采样的拍时间轨迹的同相和正交分量进行处理，以获得频率噪声的单侧功率谱密度S_δv(f）。频率噪声功率谱密度（红线）在偏移频率为6 MHz时达到h₀=62.0 Hz²Hz^-1的平台，对应于洛伦兹线宽πh₀=194.8 Hz；该测量的白噪声基底被外腔二极管激光器的白噪声本底所掩盖（图4c）。此外，研究人员还应用了延迟自外差干涉测量来验证固有线宽（图4d），该测量产生了亚相干条件下激光线自相关的功率谱。在10 kHz至2.5 MHz的偏移频率范围内观察到弛豫振荡峰，由于微谐振器中泵浦激光噪声和热折射噪声的传导引起的激光腔波动，铒激光器显示出更高的频率噪声。在<10 kHz的偏移频率下，测量的频率噪声主要由外腔二极管激光器的特征噪声所主导。当与噪声较低的掺铒光纤激光器竞争时，在输出功率为10 mW的掺铒波导激光器中实现了πh₀=50.1 Hz（h₀=15.9 Hz²Hz^-1）的创纪录的低本征线宽（蓝线）。输出功率为2.8 mW的全封装掺铒波导激光（图4b）在中频偏移频率下显示了相当的本征线宽和较低的频率噪声。使用具有减少冷腔损耗和增加光学模式面积的激光腔设计，可以实现赫兹线宽掺铒波导激光器。

与高斯贡献相关的积分线宽的半最大全宽通过将频率噪声功率谱密度从测量时间的倒数（1/T₀）积分到S_δv(f)与β-分离线相交的频率来获得（图4c虚线）。使用集成表面A，研究人员在1 ms的测量时间内获得了自由运行掺铒波导激光器在82.2 kHz（8ln(2)A^1/2）的半最大线宽下的最小全宽，还没有取代光纤激光器，但低于表征的外腔二极管激光器的166.6 kHz。为了进行比较，商用稳定光纤激光器在1 ms的测量时间内显示出2.4 kHz的半最大线宽全宽。没有在整个调谐范围内对每个波长进行详尽的线宽测量，因为激光线宽是在具有高功率和侧模抑制比的代表性波长下测量的。

接下来，研究表明，与商用光纤激光器相比，掺铒波导激光器在1550.0  nm附近具有较低的相对强度噪声。波导激光器在10 kHz至1 MHz的中频偏移频率下显示出低至-130 dBcHz^-1的相对强度噪声（黄线和紫线），低于光纤激光器的相对强度噪音（灰线），后者具有由弛豫振荡引起的功率谱密度极点（图4e）。中程相对强度噪声主要受到泵浦激光器相对强度噪声传导的限制，这甚至导致未封装掺铒波导激光器的相对强度噪声增加了5 dB。由于铒离子的缓慢动力学，在20 MHz以上的频率下的泵浦相对强度噪声传导被抑制。弛豫振荡频率可以通过计算，其中，Psat是增益介质的饱和功率，Pcav是激光腔功率，κ是冷腔损耗率，τ是铒离子上态寿命。在偏移频率超过10 MHz时，波导激光器的相对强度噪声降低到低于-155 dBcHz^-1。当增加光泵浦功率时，波导激光器的弛豫振荡频率在0.3-2.4 MHz之间变化（图4f），这高于光纤激光器中的频率（通常<100 kHz）。这种较高的弛豫振荡频率源于较小的饱和功率和3.4 ms的较短铒上态寿命。图4f所示的较高相对强度噪声是由于通过二向色环镜测量的激光输出存在未滤波的宽带放大自发辐射噪声。