光子芯片上摻鉺 波導激光器面世

科技日報2024年6月12日報道，瑞士洛桑聯邦理工學院研究人員研制出有史以來第一個芯片集成的摻鉺波導激光器。該激光器性能接近基于光纖激光器，且將“精確可調波長”與“芯片級光子”兩大實用性特點合二為一。這一突破發表在新一期《自然·光子學》雜志上。

研究人員使用最先進的制造工藝開發了這個芯片級激光器。他們首先在超低損耗氮化硅光子集成電路上，構建了一個片上光腔（一組提供光反饋的鏡子）；然后，在電路中植入高濃度鉺離子，以選擇性地產生激光所需的有源增益介質；最后通過激發鉺離子使其能夠發光并產生激光束。

為了改進激光器性能并實現精確的波長控制，研究人員進行了創新的腔內設計，使其具有一種基于微環的游標濾光片（一種可選擇特定頻率光的濾光片）。濾光片允許在很寬的范圍內動態調諧激光波長，這一點不但使激光器用途廣泛，同時還確保了它在整個光譜中都保持純凈、穩定地輸出。

研究人員表示，該芯片級鉺基激光器的性能優于許多傳統系統。它保持了與當前半導體制造工藝的兼容性，這對于在傳感器、陀螺儀、激光雷達和光頻計量等設備中的應用非常重要。

除了以上應用領域，這一將波導激光器小型化并集成到芯片級設備中的成果，還適用于電信、醫療診斷和消費電子產品中的便攜式和高度集成系統。

激光已經是現代社會不可或缺的工具。無痛手術、精密制造、數據傳輸……人類對激光器件的需求一直在增長，激光器件的升級也從未停步。近些年，使用摻雜稀土元素如鉺、鐿、釹等的光纖來制造激光成為主流，光纖激光器可謂新一代全能“神器”。然而，想把光纖激光器做小，挑戰可不小。瑞士科學家此次的突破，是將鉺光纖激光器微型化并集成到芯片里，讓小設備也能產生激光。今后，我們將在更多應用場景里看到激光雷達、激光通信和激光陀螺儀大顯身手。

（2024年6月12日 張夢然 科技日報）