Przegląd Lasery zrewolucjonizowały świat od lat 60. XX wieku i są obecnie niezbędnym narzędziem w nowoczesnych zastosowaniach, od najnowocześniejszej chirurgii i precyzyjnej produkcji po światłowodową transmisję danych. Jednak wraz ze wzrostem zapotrzebowania na zastosowania laserowe pojawiają się również wyzwania. Na przykład rozwija się rynek laserów światłowodowych, które obecnie są wykorzystywane głównie w zastosowaniach związanych z cięciem przemysłowym, spawaniem i znakowaniem. Lasery światłowodowe wykorzystują światłowody domieszkowane pierwiastkami ziem rzadkich (erbem, iterbem, neodymem itp.) jako ośrodkiem wzmocnienia optycznego. Lasery światłowodowe wytwarzają wysokiej jakości wiązki, dużą moc wyjściową, wysoką wydajność, niskie koszty konserwacji i trwałość i są generalnie mniejsze niż lasery gazowe. Lasery światłowodowe stanowią także „złoty standard” w zakresie szumów niskofazowych, co oznacza, że ich wiązki mogą pozostać stabilne przez długi czas. Mimo to istnieje rosnące zapotrzebowanie na miniaturyzację laserów światłowodowych w skali chipowej. Lasery światłowodowe na bazie erbu cieszą się szczególnym zainteresowaniem, ponieważ spełniają wszystkie wymagania dotyczące utrzymania wysokiej spójności i stabilności lasera. Jednak utrzymanie wydajności laserów światłowodowych na małą skalę zawsze było wyzwaniem dla miniaturyzujących laserów światłowodowych.
Teraz zespół naukowców kierowany przez dr Yang Liu i profesora Tobiasa Kippenberga z EPFL stworzył pierwszy zintegrowany z chipem laser falowodowy domieszkowany erbem, który zbliża się do wydajności laserów światłowodowych, łącząc jednocześnie przestrajalność szerokiej długości fali z praktycznością fotoniki fotonicznej w skali chipa. integracja. Badanie opublikowano w Nature Photonics.
Obraz w pełni zintegrowanego hybrydowego lasera erbowego opartego na zintegrowanym chipie fotonicznym z azotku krzemu, który zapewnia spójność lasera światłowodowego i nieosiągalną wcześniej przestrajalność częstotliwości. Źródło: Andrea Bancora i Yang Liu (EPFL).
Wytwarzanie lasera w skali chipowej
Naukowcy opracowali laser erbowy w skali chipa, wykorzystując najnowocześniejsze procesy produkcyjne. Najpierw zbudowali metrową wnękę optyczną na chipie (zestaw zwierciadeł zapewniających optyczne sprzężenie zwrotne) na zintegrowanym chipie fotonicznym z azotku krzemu o bardzo niskich stratach. „Pomimo niewielkich rozmiarów chipa, udało nam się zaprojektować wnękę lasera o długości jednego metra, dzięki integracji rezonatorów mikrootworowych, które skutecznie wydłużają ścieżkę optyczną bez fizycznego powiększania urządzenia” – powiedział dr. Yang Liu. Następnie zespół wszczepił do chipa jony erbu o wysokim stężeniu, aby selektywnie wytwarzać aktywny ośrodek wzmacniający wymagany do laserowania. Na koniec zintegrowali obwód z laserem pompy półprzewodnikowej III-V, aby wzbudzić jony erbu, powodując ich emisję światła i wytworzenie wiązki laserowej.
Rysunek 1: Zintegrowany hybrydowy laser Er:Si3N4. Źródło: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji i in., „W pełni hybrydowy zintegrowany laser na bazie erbu”, Nature Photonics (2024). Aby udoskonalić wydajność lasera i umożliwić precyzyjną kontrolę długości fali, badacze opracowali innowacyjną konstrukcję wewnątrzwnękową, w której wykorzystano filtr noniuszowy oparty na mikroporach – filtr optyczny zdolny do wybierania określonych częstotliwości światła. Filtr ten może dynamicznie regulować długość fali lasera w szerokim zakresie, dzięki czemu jest wszechstronny i odpowiedni do różnych zastosowań. Konstrukcja ta obsługuje stabilne lasery jednomodowe o wewnętrznej szerokości linii wynoszącej zaledwie 50 Hz.
Posiada również znaczne tłumienie trybu bocznego – laser jest w stanie emitować światło o jednej, stabilnej częstotliwości, minimalizując jednocześnie intensywność pozostałych częstotliwości („tryby boczne”). Zapewnia to „czysty” i stabilny sygnał wyjściowy w całym zakresie widmowym w zastosowaniach wymagających dużej precyzji.
Rysunek 2: Zintegrowany hybrydowy laser Er:Si3N4vernier pracujący w trybie lasera jednomodowego. Źródło: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji i in., „W pełni hybrydowy zintegrowany laser na bazie erbu”, Nature Photonics (2024). Moc, precyzja, stabilność i niski poziom hałasu Laser światłowodowy erbowy w skali chipa ma moc wyjściową ponad 10 mW i współczynnik tłumienia trybu bocznego ponad 70 dB, czyli lepiej niż wiele konwencjonalnych systemów. Ma również bardzo wąską szerokość linii, co oznacza, że emitowane przez niego światło jest bardzo czyste i stabilne, co jest ważne w spójnych zastosowaniach, takich jak wykrywanie, żyroskopy, lidar i optyczna metrologia częstotliwości. Filtr noniuszowy oparty na mikrootworach zapewnia laserowi przestrajalność długości fali wynoszącej 40 nm w paśmie C i L (zakres długości fal stosowany w telekomunikacji), przewyższając w zakresie strojenia konwencjonalne lasery światłowodowe i ostrogi o niskim widmie („ostrogi” to niepożądane częstotliwości ), zachowując jednocześnie kompatybilność z obecnymi procesami produkcji półprzewodników.
Rysunek 3: Demonstracja szerokopasmowego strojenia długości fali lasera. Źródło: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji i in., „W pełni hybrydowy zintegrowany laser na bazie erbu”, Nature Photonics (2024). Lasery nowej generacji
Miniaturyzacja i integracja laserów światłowodowych erbowych z urządzeniami w skali chipowej może obniżyć ich całkowity koszt, czyniąc je przydatnymi w przenośnych, wysoce zintegrowanych systemach w telekomunikacji, diagnostyce medycznej i elektronice użytkowej.
Rysunek 4: W pełni hybrydowa, zintegrowana charakterystyka szumu laserowego i EDWL. Źródło: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji i in., „W pełni hybrydowy zintegrowany laser na bazie erbu”, Nature Photonics (2024). Można by również zmniejszyć skalę technologii optycznej do szeregu innych zastosowań, takich jak LIDAR, fotonika mikrofalowa, optyczna synteza częstotliwości i komunikacja w przestrzeni kosmicznej. mówi dr Yang Liu: „Obszary zastosowań tego nowego, zintegrowanego lasera domieszkowanego erbem są praktycznie nieograniczone”.
