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芯片尺寸的激光器可与光纤激光器的性能相媲美

2024-06-12 15:40:28  来源:激光网    

  洛桑联邦理工学院的研究人员在刘洋博士和Tobias Kippenberg教授的指导下,创造了第一个芯片集成的掺铒波导激光器。这种激光器的性能与光纤激光器相似,同时将芯片级光子集成的实用性和宽波长可调性相结合,可在消费电子和电信领域应用。这项研究发表在《自然光子学》杂志上。

  自 1960 年代以来,激光彻底改变了人类的生活和工作。它们现在被用于从精确制造和最先进的手术到通过光纤传输数据的方方面面。

  随着对基于激光的应用的需求增加,与之相关的挑战也在增加。例如,主要用于工业切割、焊接和打标应用的光纤激光器正在经历市场增长的激增。这种扩张带来了许多需要解决的新挑战。

  光纤激光器利用掺杂铒、镱、钕等稀土元素的光纤作为光增益源,负责产生激光。它们以发射高质量光束而闻名,并具有多种优势:与气体激光器相比,它们具有高功率输出、效率高、维护成本低、耐用性和紧凑的尺寸。此外,光纤激光器被认为是低相位噪声的“黄金标准”,确保其光束随时间推移保持稳定。

  尽管光纤激光器具有许多优点,但对其小型化到芯片级的需求却越来越大。铒基光纤激光器因其能够保持高相干性和稳定性而特别有前途。然而,缩小规模给在较小尺寸上保持其性能带来了挑战。

  针对这些问题,由洛桑联邦理工学院刘阳博士和Tobias Kippenberg教授领导的团队取得了重大突破。他们开发了有史以来第一款芯片集成的掺铒波导激光器,其性能几乎与传统的光纤激光器相媲美。这项创新将宽波长可调性的优势与芯片级光子集成的便利性相结合。

  构建芯片级激光器研究人员使用尖端的制造技术来制造他们的芯片级铒激光器。他们首先构建了一个基于超低损耗氮化硅光子集成电路的片上光腔,该光腔是提供光反馈的反射镜集合。

  为了专门生产激光所需的有源增益介质,科学家们将高浓度铒离子植入电路中;为了激发铒离子并使其发光并产生激光束,科学家们将电路与III-V族半导体泵浦激光器集成在一起。

  研究人员使用基于微环的游标滤光片创造了一种创造性的腔内设计,这是一种光学滤光片,可以选择特定的光频率以提高激光器的性能并实现精确的波长控制。

  滤光片使激光器能够在很宽的波长范围内进行动态调谐,从而提高了其多功能性和适用性。该架构支持稳定的单模激光,固有线宽仅为 50 Hz,非常小。

  显着的侧模抑制也成为可能,这使得激光器能够以单一、稳定的频率产生光,同时降低其他频率或“侧模”的强度。这保证了整个可见光谱的高精度应用的“干净”和一致的输出。

  功率、精度、稳定性、低噪声芯片级铒基光纤激光器的输出功率超过10 mW,侧模抑制比超过70 dB,性能优于许多传统系统。

  此外,由于其极小的线宽,它发出的光非常纯净和稳定,这对于光学频率计量、陀螺仪、传感和激光雷达等相干应用至关重要。

  在保持与当前半导体制造工艺的兼容性的同时,基于微环的游标滤波器允许激光器在 C 波段和 L 波段(电信中使用的波长范围)内在 40 nm 范围内具有宽波长可调性,在调谐和低光谱杂散指标(不需要的频率)方面优于传统光纤激光器。

  下一代激光器将铒光纤激光器缩小并整合到芯片级设备中可以使它们更实惠,为消费电子、医疗诊断和电信领域的高度集成的移动系统开辟新的应用。

  它还可以在其他几个应用中缩小光学技术,包括激光雷达、微波光子学、光频率合成和自由空间通信。

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