Pregled Laseri su revolucionirali svijet od 1960-ih i sada su nezamjenjiv alat u modernim primjenama, od vrhunske kirurgije i precizne proizvodnje do prijenosa podataka putem optičkih vlakana. Međutim, kako potražnja za laserskim primjenama raste, pojavljuju se i izazovi. Na primjer, tržište fiber lasera se širi i oni se trenutno koriste uglavnom u industrijskim primjenama rezanja, zavarivanja i označavanja. Svjetlovodni laseri koriste optička vlakna dopirana elementima rijetke zemlje (erbij, iterbij, neodim, itd.) kao medij za optičko pojačanje. Svjetlovodni laseri proizvode visokokvalitetne zrake, veliku izlaznu snagu, visoku učinkovitost, niske troškove održavanja i izdržljivost te su općenito manji od plinskih lasera. Fiber laseri su također "zlatni standard" za niski fazni šum, što znači da njihove zrake mogu ostati stabilne dulje vrijeme. Unatoč tome, postoji rastuća potražnja za minijaturizacijom optičkih lasera na čipu. Vlaknasti laseri na bazi erbija posebno su zanimljivi jer ispunjavaju sve zahtjeve za održavanje visoke koherencije i stabilnosti lasera. Međutim, kako održati učinkovitost fiber lasera u maloj mjeri uvijek je bio izazov za minijaturizaciju fiber lasera.
Sada je tim znanstvenika predvođen dr. Yangom Liuom i profesorom Tobiasom Kippenbergom s EPFL-a stvorio prvi valovodni laser dopiran erbijem integriran u čip koji se približava učinku lasera s vlaknima, a istovremeno kombinira prilagodljivost široke valne duljine s praktičnošću fotoničkog lasera na skali čipa. integracija. Studija je objavljena u časopisu Nature Photonics.
Slika potpuno zapakiranog hibridnog integriranog erbijevog lasera temeljenog na fotoničkom integriranom čipu od silicij nitrida, koji osigurava koherenciju vlaknastog lasera i prethodno nedostižnu podesivost frekvencije. Izvor: Andrea Bancora i Yang Liu (EPFL).
Izrada lasera na čipu
Istraživači su razvili erbijev laser veličine čipa koristeći najsuvremenije proizvodne procese. Najprije su izgradili jedan metar dugu optičku šupljinu na čipu (skup zrcala koja pružaju optičku povratnu spregu) na fotoničkom integriranom čipu od silicijeva nitrida ultra-niskih gubitaka. "Unatoč maloj veličini čipa, uspjeli smo dizajnirati šupljinu lasera da bude duga jedan metar, zahvaljujući integraciji ovih rezonatora s mikro rupama, koji učinkovito produžuju optički put bez fizičkog povećanja uređaja", rekao je dr. Yang Liu. Tim je potom implantirao visoku koncentraciju erbijevih iona u čip kako bi se selektivno proizveo medij za aktivno pojačanje potreban za laser. Konačno, integrirali su krug s III-V poluvodičkim laserom za pumpanje kako bi pobudili ione erbija, uzrokujući njihovo emitiranje svjetlosti i proizvodnju laserske zrake.
Slika 1: Hibridni integrirani Er:Si3N4 laser. Izvor: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji i dr., "Potpuno hibridni integrirani laser na bazi erbija", Nature Photonics (2024.). Kako bi poboljšali rad lasera i omogućili preciznu kontrolu valne duljine, istraživači su osmislili inovativni intrakavitetni dizajn koristeći Vernier filtar koji se temelji na mikroporama, optički filtar koji može odabrati određene frekvencije svjetlosti. Ovaj filtar može dinamički prilagoditi valnu duljinu lasera u širokom rasponu, što ga čini svestranim i prikladnim za razne primjene. Ovaj dizajn podržava stabilne single-mode lasere s intrinzičnom širinom linije od samo 50 Hz.
Također ima značajnu supresiju bočnih modova - laser je u stanju emitirati svjetlost na jednoj, stabilnoj frekvenciji dok minimizira intenzitet drugih frekvencija ("bočni modovi"). To osigurava "čist" i stabilan izlaz u cijelom spektralnom rasponu za visokoprecizne primjene.
Slika 2: Hibridni integrirani Er:Si3N4vernier laser koji radi u jednom modu lasera. Izvor: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji i dr., "Potpuno hibridni integrirani laser na bazi erbija", Nature Photonics (2024.). Snaga, preciznost, stabilnost i niska razina buke Laser s erbijevim vlaknima na čipu ima izlaznu snagu veću od 10 mW i omjer potiskivanja bočnog načina rada od više od 70 dB, što je bolje od mnogih konvencionalnih sustava. Također ima vrlo usku širinu linije, što znači da je svjetlost koju emitira vrlo čista i stabilna, što je važno za koherentne primjene kao što su senzori, žiroskopi, lidar i mjeriteljstvo optičkih frekvencija. Vernier filtar koji se temelji na mikrorupama daje laseru prilagodljivost široke valne duljine od 40 nm u C-pojasu i L-pojasu (raspon valnih duljina koji se koristi za telekomunikacije), nadmašujući konvencionalne lasere s vlaknima u ugađanju i niskim spektralnim izbočinama ("ostruge" su neželjene frekvencije ) dok ostaje kompatibilan s trenutnim procesima proizvodnje poluvodiča.
Slika 3: Demonstracija širokopojasnog ugađanja valne duljine lasera. Izvor: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji i dr., "Potpuno hibridni integrirani laser na bazi erbija", Nature Photonics (2024.). Laseri sljedeće generacije
Minijaturizacija i integracija lasera s erbijevim vlaknima u uređaje veličine čipa mogla bi smanjiti njihovu ukupnu cijenu, čineći ih korisnima za prijenosne, visoko integrirane sustave u telekomunikacijama, medicinskoj dijagnostici i potrošačkoj elektronici.
Slika 4: Potpuno hibridna integrirana karakterizacija šuma lasera i EDWL. Izvor: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al, "Potpuno hibridni integrirani laser na bazi erbija", Nature Photonics (2024.). Također bi mogla smanjiti optičku tehnologiju za razne druge primjene, kao što su LIDAR, mikrovalna fotonika, sinteza optičkih frekvencija i komunikacije u slobodnom prostoru. kaže dr. Yang Liu, "Područja primjene ovog novog integriranog lasera dopiranog erbijem gotovo su neograničena."
