微腔激光器是由尺寸在微米量级的光学谐振腔与增益介质组成的微型激光器。近年来回音壁模式微腔激光器得到了长足发展，并应用到光通信、光传感和光谱分析等领域。超低阈值的微腔激光器能极大降低功耗并提高激射功率，其中微腔（特别是掺杂微腔）的品质因子（Q值）至关重要。由于掺铒微腔激光器的激射波长处于光通信波段，具有很大的应用前景。已报道的掺铒微腔主要使用溶胶-凝胶工艺将铒离子掺杂到氧化硅微腔中，由于制备过程中涉及淬火过程，容易导致微腔表面出现裂纹和缺陷，因此基于该方法制备的掺铒微腔Q值一般限制在106量级。

图1. (a) 全光可控的掺铒微腔激光器示意图；(b) 所提出的掺铒微腔制备过程。

最近，来自武汉光电国家研究中心的张新亮教授、施雷副教授研究组，使用一种新的掺杂方法制备了掺铒氧化硅微瓶腔（如图1）。研究人员将五水硝酸铒溶液涂覆在单模光纤表面，然后利用二氧化碳激光器直接基于该结构制备氧化硅微瓶腔。由于在制备过程中经历了熔融过程，因此溶剂蒸发后铒离子能有效地掺杂到氧化硅微瓶腔中。该方法避免了微腔表面裂纹和缺陷的产生，掺铒微瓶腔最高Q值能接近108（如图2a），是目前已报道相关工作中的最好性能。研究人员使用模式线宽为1 nm的980 nm激光器进行非谐振泵浦，由于该掺铒微腔具有超高Q值，仍然获得了1.65 mW的低阈值功率（如图2c），是基于非谐振泵浦的氧化硅微腔激光器中的最低值。

图2. (a) 非掺杂微腔和掺杂微腔的Q值对比，插入图为实验所使用掺杂微腔的Q值；(b) 单模激射光谱；(c) 激射功率随泵浦功率的变化，插入图为典型单模激射光谱；(d) 激射波长漂移随控制光功率的变化。

同时，微腔激光器的波长可调谐性是一项非常重要的功能。基于所提出微瓶腔的特殊结构，研究人员在微瓶腔的球形末端区域包覆具有极强光热效应的氧化铁纳米颗粒。从该微瓶腔的轴向注入控制光来实现对激射波长的全光控制。其中，球形末端的制备、形状及纳米颗粒的包覆区域控制是器件制备中的关键。由于微瓶腔的回音壁模式远离包覆区域，所以在调谐过程中微腔能够保持原有超高Q值。基于该方法，激射波长调谐范围达4.4 nm（如图2d）。在已报道的氧化硅微腔激光器中，该调谐范围也是最大的。

该研究成果以All-Optical Tunable Microlaser Based on an Ultrahigh-Q Erbium-Doped Hybrid Microbottle Cavity为题发表在ACS Photonics 5(9), 3794-3800 (2018)上，从投稿到提前在线发表仅用24天，论文第一作者为博士生朱松，通讯作者为施雷。相关工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室开放课题等项目的资助。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.8b00838