近日，华中科技大学武汉光电国家研究中心张新亮、施雷课题组在超高Q掺铒氧化硅微腔中实现了灵活的激射模式抑制与提取，并获得了高性能的单模激射。课题组提出了一种新型的掺铒微腔制备工艺，极大提升了掺杂均匀度和掺杂微腔Q值 （高达10⁸），使用非谐振泵浦方式获得了89 µW的超低阈值。进一步地，提出了基于沿微腔轴向构建的add-drop结构从而有效实现了对激射模式的选择性抑制与提取，并获得了单模激射，边模抑制比达24 dB。该工作有望拓展稀土掺杂微腔激光器的应用前景，被选为ACS Photonics当期封面论文。

微腔激光器是尺寸在微米量级的光学微腔与增益组成的微型激光器。近年来回音壁模式微腔激光器得到了长足的发展，并应用于光通信、光学传感及光谱分析等领域。微型激光器的模式操控具有重要研究意义，如单模激光、波长开关、模式抑制、可控的涡旋激光等。目前已报道了不同方案来实现激射模式操控乃至单模激光，如空间泵浦调控、损耗调控、宇称时间对称耦合微腔、微腔尺寸调控等。氧化硅微瓶腔由于具有超高Q值，已被应用在多个领域。其具有丰富的轴向模式，激射模式非常丰富，这增强了模式竞争导致的不稳定性，因此对其模式进行抑制至关重要。华中科技大学张新亮、施雷课题组前期在微腔激光器及非线性方面完成了系列工作：（1）掺铒微腔激光器 [ACS Photonics 5(9), 3794-3800, 2018]，使用所提出的新型制备方法获得了当时已报道最高Q值（5.2×10⁷）的掺饵微腔，具有已报道最低阈值（非谐振泵浦）及最大波长调谐范围；（2）基于微腔的亚千赫兹线宽光纤激光器 [Optics Letters 43(21), 5315-5318, 2018]，兼具单模激射、窄线宽及较好的波长调谐性能；（3）布里渊及拉曼微腔激光器 [Nanophotonics 8(5), 931-940, 2019]，具有微瓦量级阈值及已报道最大波长调谐范围；（4）可控的克尔与拉曼-克尔微腔光频梳 [Nanophotonics, 8(12), 2321-2329, 2019]，获得带宽近170 nm的拉曼-克尔光频梳所需的泵浦功率仅为954 μW，梳齿调谐范围达2.67 nm。

本工作中，华中科技大学的研究人员提出了一种微腔激射模式操控的新方法，可以有效地选择性抑制和提取激射模式。研究人员首先提出了一种新型的掺铒微腔制备工艺，如图1（b）所示。先将Er³⁺掺杂在PMMA溶液中，然后将PMMA溶液均匀旋涂在结构表面。结合二氧化碳激光器和电弧放电制备方法，成功制备出Q值高达10⁸的掺铒氧化硅微腔，为目前已报道最高性能，且具有高掺杂均匀度。该工艺也适用于其他类型的氧化硅微腔，如微泡腔等。研究人员采用非谐振泵浦方式获得了百微瓦以下的激射阈值，如图2（b）所示。

图1 （a）器件原理示意图；（b）器件制备工艺示意图；（c）微瓶腔中的模场分布。

图2 （a）非掺杂和掺杂微腔的本征Q值；（b）不同直径掺杂微腔的激射阈值。

微瓶腔在轴向存在非简并模式，存在的激射模式众多，因此增加了模式竞争导致的激光不稳定性。研究人员通过沿微瓶腔轴向构建add-drop结构，可实现对激射模式的选择性抑制和提取，如图3所示。研究人员发现通过沿微瓶腔轴向精确移动探测（probe）耦合微纤，可有效提取不同波长的激射模式，这对于研究激射模式开关具有重要意义。此外，通过优化微瓶腔的尺寸和曲率半径，还实现了单模激光的提取，其边模抑制比达24 dB。该工作有望应用于激光开关、光学路由和光通信等领域。

图3 （a）有（无）probe微纤时的激射阈值；（b）有probe微纤时直通端的激射谱；（c）下载端的激射谱；（d）无probe微纤时直通端的激射谱；（e）有probe微纤时直通端的激射谱；（f）下载端的激射谱。

图4 （a）无probe微纤时直通端的激射谱；（b）有probe微纤时直通端的激射谱；（c）下载端的激射谱；（d）单模激射谱随泵浦功率的演化；(e) 单模激射时相应的阈值。