自20世纪60年代以来，激光已经彻底改变了世界，现在在现代应用中不可或缺，从尖端手术和精密制造到光纤数据传输。

　　但随着对基于激光的应用需求的增长，挑战也在增加。例如，光纤激光器的市场正在增长，目前用于工业切割、焊接和打标应用。

　　光纤激光器使用掺有稀土元素(铒、镱、钕等)的光纤作为其光增益源(产生激光器光的部分)。它们发射出高质量的光束，它们有高功率输出，它们效率高，维护少，耐用，而且它们通常比气体激光器小。光纤激光器也是低相位噪声的“黄金标准”，这意味着它们的光束随着时间的推移保持稳定。

　　但是，尽管如此，在芯片级上小型化光纤激光器的需求仍在不断增长。铒基光纤激光器尤其令人感兴趣，因为它们满足了保持激光器高相干性和稳定性的所有要求。但是在小型化的过程中，如何在小尺度上保持它们的性能一直是一个挑战。

　　现在，由EPFL的杨刘博士和Tobias Kippenberg教授领导的科学家们已经建立了第一个芯片集成的掺铒波导激光器，其性能接近光纤激光器，将宽波长可调性与芯片级光子集成的实用性相结合。这项研究发表在《自然光子学》杂志上。

　　研究人员使用最先进的制造工艺开发了芯片级铒激光器。他们首先以超低损耗氮化硅光子集成电路为基础，构建了一个一米长的片上光学腔(一组提供光学反馈的镜子)。

　　刘博士说:“尽管芯片尺寸紧凑，但我们能够将激光腔设计为米级长度，这要归功于这些微环谐振器的集成，它们有效地延长了光路，而无需物理地扩大设备。”

　　然后，研究小组在电路中植入高浓度的铒离子，以选择性地产生激光所需的有源增益介质。最后，他们将电路与III-V半导体泵浦激光器集成在一起，以激发铒离子，使其能够发光并产生激光束。

　　为了改进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，其特点是基于微环的游标滤波器，这是一种可以选择特定频率的光的光学滤波器。

　　滤光片允许在广泛的范围内动态调谐激光的波长，使其在各种应用中通用和可用。该设计支持稳定的单模激光，具有令人印象深刻的窄固有线宽，仅为50 Hz。

　　它还允许显著侧模抑制-激光发射光在一个单一的，一致的频率，同时最小化其他频率(“侧模”)的强度的能力。这确保了“干净”和稳定的输出在整个光谱的高精度应用。

　　功率大、精度高、稳定性好、噪音低

　　芯片级铒基光纤激光器的输出功率超过10 mW，侧模抑制比大于70 dB，优于许多传统系统。

　　它还具有非常窄的线宽，这意味着它发出的光非常纯净和稳定，这对于传感，陀螺仪，激光雷达和光学频率计量等相干应用非常重要。

　　基于微环的微调滤波器使激光器在C和l波段(电信中使用的波长范围)的40 nm范围内具有宽波长可调性，在调谐和低光谱杂散指标(“杂散”是不需要的频率)方面超过传统光纤激光器，同时与当前的半导体制造工艺保持兼容。

　　将铒光纤激光器小型化并集成到芯片级设备中可以降低其总体成本，使其可用于电信、医疗诊断和消费电子领域的便携式和高度集成系统。

　　它还可以在各种其他应用中缩小光学技术的规模，如激光雷达、微波光子学、光频率合成和自由空间通信。

　　“这种新型掺铒集成激光器的应用领域几乎是无限的，”刘说。