Pregled Laseri su revolucionirali svijet od 1960-ih i sada su nezamjenjiv alat u modernim aplikacijama, od vrhunske hirurgije i precizne proizvodnje do prijenosa podataka putem optičkih vlakana. Međutim, kako potražnja za laserskim aplikacijama raste, pojavljuju se i izazovi. Na primjer, tržište fiber lasera se širi i oni se trenutno koriste uglavnom u industrijskom rezanju, zavarivanju i označavanju. Fiber laseri koriste optička vlakna dopirana elementima retkih zemalja (erbijum, iterbijum, neodimijum, itd.) kao medij za optičko pojačanje. Vlaknasti laseri proizvode visokokvalitetne zrake, veliku izlaznu snagu, visoku efikasnost, niske troškove održavanja i izdržljivost i općenito su manji od plinskih lasera. Fiber laseri su također "zlatni standard" za nisku faznu buku, što znači da njihovi snopovi mogu ostati stabilni dugo vremena. Uprkos tome, raste potražnja za minijaturizacijom fiber lasera veličine čipa. Fiber laseri na bazi erbija su od posebnog interesa jer ispunjavaju sve zahtjeve za održavanje visoke koherentnosti i stabilnosti lasera. Međutim, kako održati performanse fiber lasera u malom obimu oduvijek je bio izazov za minijaturizaciju fiber lasera.
Sada je tim naučnika predvođen dr. Yang Liuom i profesorom Tobiasom Kippenbergom sa EPFL-a kreirao prvi laser sa talasovodom dopiranim erbijem koji je integrisan sa čipom koji se približava performansama lasera sa vlaknima dok kombinuje mogućnost podešavanja široke talasne dužine sa praktičnošću fotonske veličine čipa. integracija. Studija je objavljena u časopisu Nature Photonics.
Slika potpuno upakovanog hibridnog integrisanog erbijum lasera zasnovanog na fotonskom integrisanom čipu od silicijum nitrida, koji obezbeđuje koherentnost laserskog vlakna i ranije nedostižnu podesivost frekvencije. Izvor: Andrea Bancora i Yang Liu (EPFL).
Izrada lasera veličine čipa
Istraživači su razvili erbijumski laser veličine čipa koristeći najsavremenije procese proizvodnje. Prvo su izgradili optičku šupljinu na čipu dugačku jedan metar (skup ogledala koja pružaju optičku povratnu informaciju) na fotonskom integriranom čipu od silicijum nitrida sa ultra niskim gubicima. "Uprkos maloj veličini čipa, uspjeli smo dizajnirati lasersku šupljinu tako da bude dugačak jedan metar, zahvaljujući integraciji ovih rezonatora s mikro-rupama, koji efikasno produžuju optičku putanju bez fizičkog povećanja uređaja", rekao je dr. Yang Liu. Tim je zatim implantirao visoku koncentraciju erbijuma jona u čip kako bi selektivno proizveo medij aktivnog pojačanja koji je potreban za lasersko djelovanje. Konačno, integrisali su kolo sa laserom poluvodičke pumpe III-V kako bi potaknuli ione erbija, uzrokujući da emituju svjetlost i proizvode laserski snop.
Slika 1: Hibridni integrisani Er:Si3N4 laser. Izvor: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al., "Potpuno hibridni integrirani laser na bazi erbija", Nature Photonics (2024). Kako bi poboljšali performanse lasera i omogućili preciznu kontrolu talasne dužine, istraživači su osmislili inovativni dizajn unutar šupljine koristeći Vernier filter baziran na mikroporama, optički filter sposoban da bira specifične frekvencije svjetlosti. Ovaj filter može dinamički prilagoditi talasnu dužinu lasera u širokom rasponu, čineći ga svestranim i pogodnim za razne primjene. Ovaj dizajn podržava stabilne single-mode lasere sa intrinzičnom širinom linije od samo 50 Hz.
Takođe ima značajnu supresiju bočnog moda - laser je u stanju da emituje svetlost na jednoj, stabilnoj frekvenciji dok minimizira intenzitet drugih frekvencija ("bočni modovi"). Ovo osigurava "čist" i stabilan izlaz u cijelom spektralnom rasponu za aplikacije visoke preciznosti.
Slika 2: Hibridni integrisani Er:Si3N4vernier laser koji radi u jednom modu lasera. Izvor: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al., "Potpuno hibridni integrirani laser na bazi erbija," Nature Photonics (2024). Snaga, preciznost, stabilnost i niska razina buke Laser s erbijumskim vlaknima veličine čipa ima izlaznu snagu veću od 10 mW i omjer potiskivanja bočnog moda veći od 70 dB, što je bolje od mnogih konvencionalnih sistema. Takođe ima vrlo usku širinu linije, što znači da je svjetlost koju emituje vrlo čista i stabilna, što je važno za koherentne primjene kao što su senzori, žiroskopi, lidar i mjeriteljstvo optičkih frekvencija. Vernier filter baziran na mikrorupama daje laseru široku talasnu dužinu od 40 nm u C-opsegu i L-opsegu (opseg talasnih dužina koji se koristi za telekomunikacije), nadmašujući konvencionalne optičke lasere u podešavanju i niskim spektralnim spurovima („mamuze“ su neželjene frekvencije ) dok ostaje kompatibilan sa trenutnim proizvodnim procesima poluprovodnika.
Slika 3: Demonstracija širokopojasnog podešavanja talasne dužine lasera. Izvor: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji, et al., "Potpuno hibridni integrirani laser na bazi erbija," Nature Photonics (2024). Laseri nove generacije
Minijaturizacija i integracija lasera s erbijumskim vlaknima u uređaje veličine čipa mogla bi smanjiti njihovu ukupnu cijenu, čineći ih korisnim za prijenosne, visoko integrirane sisteme u telekomunikacijama, medicinskoj dijagnostici i potrošačkoj elektronici.
Slika 4: Potpuno hibridna integrisana laserska karakterizacija šuma i EDWL. Izvor: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al, "Potpuno hibridni integrirani laser na bazi erbija," Nature Photonics (2024). Također bi mogao smanjiti optičku tehnologiju za niz drugih aplikacija, 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 su gotovo neograničene."
