片上规模制造超宽带、高功率铒掺杂集成激光器

小芯片，大光源

激光器是现代技术中不显眼却至关重要的“苦力”，默默支撑着高速互联网、精密传感、导航甚至医学成像等应用。然而，长期以来在稳定性和低噪声方面表现最佳的激光器通常存在于笨重且精密的光纤系统中，这类系统难以实现大规模生产。本文展示了研究人员如何将光纤级别的性能带到微小的硅芯片上，采用可融入标准半导体工厂的工艺，有望使超稳定激光器像处理器一样易于批量制造。

为什么缩小光纤激光器很重要

几十年来，铒掺杂光纤激光器在纯净度和稳定性方面树立了黄金标准，这对长距离光纤传感、陀螺仪、自由空间通信链路和光学钟等任务至关重要。其秘诀在于铒离子，它们作为低噪声且温度稳定的增益介质，提供平稳可靠的光放大。问题是，这些激光器由长长的光纤线圈精心组装——在实验室里表现优异，但对于大规模工业应用来说既笨重又昂贵。将同类光源放到平面的芯片上可以实现体积更小、成本更低并且更易与其他光子和电子组件集成，但早期尝试要么性能不足，要么难以实现规模化制造。

在片上实现高性能激光器的制造方法

作者通过重新设计芯片上的导光结构解决了一个关键的制造瓶颈。他们没有使用那些需要极高能量离子束来掺入铒的厚波导，而是采用高度仅200纳米的更薄氮化硅（Si₃N₄）波导。这个简单的几何改变将所需的掺入能量降到500千电子伏以下，从而可以使用半导体晶圆厂中常见的300毫米工业离子注入设备。研究从超低损耗的整片氮化硅电路出发，仅在需要增益的位置选择性地掺入铒，随后添加玻璃包层并集成微小金属加热器以便微调。结果是在整片晶圆上高产率地制造出一批相同的紧凑激光芯片（每片约0.4 × 1.0 厘米），且没有早期高能量方法常见的波导损伤。

芯片激光器的工作原理

每块芯片内部，激光器构建为精心设计的光学回路。长螺旋段的铒掺杂波导提供增益，而两个稍有差异的环形谐振腔共同形成“文氏”滤波器（Vernier），一次挑选出一个窄窄的光色。可调的环形镜定义激光腔体，使工程师能够控制反馈光与输出光的分配。芯片由1480纳米的泵浦激光器激励——可直接在芯片边缘耦合或通过光纤远端供给——激发铒离子以放大覆盖电信C和L波段（约1530–1620 nm）附近的光。微加热器略微改变局部温度，移动环和镜的谐振位置，使团队能够在宽频范围内调节发射波长，同时保持输出为单一、干净的谱线。

功率、纯度与稳定性

尽管占地面积小，这些芯片激光器的性能可与许多商用系统媲美甚至超越。它们在C和L波段上可调范围达91纳米，光纤耦合输出功率最高可达47.6毫瓦，固有线宽仅78.5赫兹——这是通常仅与更大仪器相关的高光谱纯度指标。器件还表现出极低的强度和频率噪声，可比或优于最先进的光纤激光器。由于铒的内部能级在很大程度上不受震动和温度影响，这些激光器在高达125 °C的条件下仍能工作且功率变化适中，频率在六小时内漂移小于15兆赫。带有故意反射的测试表明，该设计对光学反馈具有显著容忍性，减少了对笨重隔离器的需求。

这对未来技术意味着什么

对非专业读者来说，核心信息是作者把一种实验室级、脆弱的激光器类型转变为可以像芯片一样在晶圆上量产的产品，且不牺牲性能。通过将代工友好的氮化硅平台与精心设计的铒掺入和智能腔体结构相结合，他们展示了明亮、可调且极其稳定的激光器，这些器件能够在恶劣环境中运行并实现规模化生产。这为价格可负担的高相干光源打开了大门，可用于精密传感、激光雷达、高级通信以及许多其他场景，在这些场景中，芯片级的“完美”激光器可能带来革命性变化。

引用: Ji, X., Yang, X., Liu, Y. et al. Wafer-scale manufacturing of ultra-broadband, high-power erbium-doped integrated lasers. Nat Commun 17, 3722 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69787-1

关键词: 集成激光器, 氮化硅光子学, 铒掺杂器件, 片上制造, 电信波段光源