Лазери зробили революцію у світі з 1960-х років і тепер є незамінними інструментами для сучасних застосувань, починаючи від найсучаснішої хірургії та точного виробництва до оптоволоконної передачі даних.
Але зі зростанням попиту на застосування лазерів зростають і труднощі. Наприклад, існує зростаючий ринок волоконних лазерів, які зараз використовуються переважно для промислового різання, зварювання та маркування.
Волоконні лазери використовують оптичні волокна, леговані рідкоземельними елементами (ербій, ітербій, неодим тощо) як джерело оптичного підсилення (частина, яка створює лазерне світло). Волоконні лазери випромінюють високоякісні промені з високою вихідною потужністю, високою ефективністю, не потребують обслуговування, довговічністю та зазвичай менші за газові лазери. Волоконні лазери також є «золотим стандартом» для низького фазового шуму, що означає, що їх промені можуть бути стабільними протягом тривалих періодів часу.
Незважаючи на це, існує зростаючий попит на мініатюризацію волоконних лазерів на чіпі. Волоконні лазери на основі ербію представляють особливий інтерес, оскільки вони відповідають усім вимогам для підтримки високої когерентності та стабільності лазера. Однак те, як підтримувати продуктивність волоконних лазерів у малих масштабах, було проблемою для мініатюрних волоконних лазерів.
Тепер вчені на чолі з доктором Ян Лю та професором Тобіасом Кіппенбергом з EPFL виготовили перші хвилеводні лазери, леговані ербієм, інтегровані в мікросхему, які мають продуктивність, близьку до волоконних лазерів, поєднуючи при цьому корисність широкої довжини хвилі та фотоніку масштабу мікросхеми. інтеграція. Дослідження було опубліковано в Nature Photonics.
Створення чіп-масштабних лазерів
Дослідники розробили ербієві лазери в масштабі чіпа, використовуючи найсучасніші процеси виготовлення. Вони вперше побудували оптичний резонатор довжиною один метр на кристалі (набір дзеркал, які забезпечують оптичний зворотний зв’язок) на основі фотонної інтегральної схеми з наднизькими втратами нітриду кремнію.
Доктор Ян Лю сказав: «Незважаючи на компактний розмір мікросхеми, ми змогли спроектувати лазерну порожнину довжиною в один метр завдяки інтеграції цих мікропрохідних резонаторів, які ефективно розширюють оптичний шлях без фізичного збільшення пристрою».
Потім команда імплантувала високу концентрацію іонів ербію в схему, щоб вибірково генерувати активне підсилювальне середовище, необхідне для лазерної генерації. Нарешті, вони інтегрували схему з напівпровідниковим лазером групи III-V, щоб збудити іони ербію для випромінювання світла та створення лазерного променя.
Щоб удосконалити продуктивність лазера та досягти точного контролю довжини хвилі, дослідники розробили інноваційну внутрішньопорожнинну конструкцію з мікропористим ноніусним фільтром, оптичним фільтром, який дозволяє вибирати конкретну оптичну частоту.
Цей фільтр дозволяє динамічно налаштовувати довжину хвилі лазера в широкому діапазоні довжин хвиль, що робить його універсальним і придатним для широкого спектру застосувань. Ця конструкція підтримує стабільні одномодові лазери з вражаюче вузькою внутрішньою шириною лінії лише 50 Гц.
Він також має значне придушення бічних режимів, коли лазер може випромінювати світло на одній стабільній частоті, мінімізуючи інтенсивність інших частот («бічні режими»). Це забезпечує «чистий» і стабільний вихід у всьому спектральному діапазоні для високоточних застосувань.
Оптичне зображення гібридного інтегрованого лазера на основі легованої ербієм фотонної інтегральної схеми, що забезпечує когерентність волоконного лазера та раніше недосяжну можливість налаштування частоти.
Потужність, точність, стабільність і низький рівень шуму
Ербієвий волоконний лазер у масштабі мікросхеми має вихідну потужність понад 10 мВт і коефіцієнт відхилення бічної моди понад 70 дБ, що перевершує більшість звичайних систем.
Він також має дуже вузьку ширину лінії, що означає, що світло, яке він випромінює, є дуже чистим і стабільним, що важливо для когерентних застосувань, таких як зондування, гіроскопи, LIDAR і метрологія оптичної частоти.
Ноніусний фільтр на основі мікроапертури дозволяє лазеру мати широку можливість налаштування довжини хвилі 40 нм як у C-діапазоні, так і в L-діапазоні (діапазон довжин хвиль, який використовується для телекомунікацій), перевершуючи звичайні волоконні лазери як у налаштуванні, так і в низькому спектральному сплеску метрики («скачки» — це небажані частоти), в той же час будучи сумісними з поточними процесами виробництва напівпровідників, залишаються сумісними.
Лазери нового покоління
Мініатюризація та інтеграція ербієвих волоконних лазерів у чіпові пристрої зменшує їх загальну вартість, дозволяючи використовувати їх у портативних високоінтегрованих системах у телекомунікаціях, медичній діагностиці та споживчій електроніці.
Він також може зменшити оптичну технологію для ряду інших застосувань, таких як LIDAR, мікрохвильова фотоніка, оптичний синтез частот і зв’язок у вільному просторі.
