Prehľad Lasery spôsobili revolúciu vo svete od 60. rokov 20. storočia av súčasnosti sú nepostrádateľným nástrojom v moderných aplikáciách, od špičkovej chirurgie a presnej výroby až po prenos dát z optických vlákien. S rastúcim dopytom po laserových aplikáciách však vznikajú aj výzvy. Rozširuje sa napríklad trh s vláknovými lasermi, ktoré sa v súčasnosti používajú najmä v priemyselných aplikáciách rezania, zvárania a značenia. Vláknové lasery používajú optické vlákna dopované prvkami vzácnych zemín (erbium, ytterbium, neodým, atď.) ako médium optického zisku. Vláknové lasery produkujú vysokokvalitné lúče, vysoký výstupný výkon, vysokú účinnosť, nízke náklady na údržbu a odolnosť a sú vo všeobecnosti menšie ako plynové lasery. Vláknové lasery sú tiež „zlatým štandardom“ pre nízky fázový šum, čo znamená, že ich lúče môžu zostať stabilné po dlhú dobu. Napriek tomu rastie dopyt po miniaturizácii čipových vláknových laserov. Vláknové lasery na báze erbia sú obzvlášť zaujímavé, pretože spĺňajú všetky požiadavky na udržanie vysokej koherencie a stability lasera. Avšak, ako udržať výkon vláknových laserov v malom meradle, bolo vždy výzvou pre miniaturizáciu vláknových laserov.
Teraz tím vedcov pod vedením Dr. Yang Liu a profesora Tobiasa Kippenberga z EPFL vytvoril prvý čipom integrovaný erbiom dopovaný vlnovodný laser, ktorý sa približuje výkonu vláknových laserov a zároveň kombinuje laditeľnosť širokých vlnových dĺžok s praktickosťou čipovej fotoniky. integrácia. Štúdia bola publikovaná v Nature Photonics.
Obrázok plne zbaleného hybridného integrovaného erbiového lasera na báze fotonického integrovaného čipu z nitridu kremíka, ktorý poskytuje koherenciu vláknového lasera a predtým nedosiahnuteľnú frekvenčnú laditeľnosť. Zdroj: Andrea Bancora a Yang Liu (EPFL).
Výroba čipového lasera
Výskumníci vyvinuli erbiový laser v mierke čipov pomocou najmodernejších výrobných procesov. Najprv postavili jeden meter dlhú optickú dutinu na čipe (súbor zrkadiel, ktoré poskytujú optickú spätnú väzbu) na fotonickom integrovanom čipe z nitridu kremíka s ultranízkou stratou. „Napriek malej veľkosti čipu sa nám podarilo navrhnúť dutinu lasera na dĺžku jedného metra, a to vďaka integrácii týchto mikrootvorových rezonátorov, ktoré efektívne predlžujú optickú dráhu bez fyzického zväčšenia zariadenia,“ povedal Dr. Yang Liu. Tím potom implantoval vysokú koncentráciu iónov erbia do čipu, aby selektívne produkoval médium s aktívnym ziskom potrebné na laserovanie. Nakoniec integrovali obvod s laserom s polovodičovým čerpadlom III-V, aby excitovali ióny erbia, čo spôsobilo, že vyžarovali svetlo a vytvorili laserový lúč.
Obrázok 1: Hybridný integrovaný laser Er:Si3N4. Zdroj: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji a kol., "Plne hybridný integrovaný laser na báze erbia", Nature Photonics (2024). Na zlepšenie výkonu lasera a umožnenie presného ovládania vlnovej dĺžky výskumníci navrhli inovatívny vnútrodutinový dizajn využívajúci Vernierov filter na báze mikropórov, optický filter schopný vybrať špecifické svetelné frekvencie. Tento filter dokáže dynamicky upravovať vlnovú dĺžku lasera v širokom rozsahu, vďaka čomu je všestranný a vhodný pre rôzne aplikácie. Tento dizajn podporuje stabilné lasery s jedným režimom s vlastnou šírkou čiary iba 50 Hz.
Má tiež výrazné potlačenie bočných režimov – laser je schopný vyžarovať svetlo na jedinej stabilnej frekvencii a zároveň minimalizovať intenzitu ostatných frekvencií („bočné režimy“). To zaisťuje "čistý" a stabilný výstup v celom spektrálnom rozsahu pre vysoko presné aplikácie.
Obrázok 2: Hybridný integrovaný laser Er:Si3N4vernier pracujúci v single-mode laseru. Zdroj: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji a kol., "Plne hybridný integrovaný laser na báze erbia," Nature Photonics (2024). Výkon, presnosť, stabilita a nízka hlučnosť Čipový erbiový vláknový laser má výstupný výkon viac ako 10 mW a pomer potlačenia bočného režimu viac ako 70 dB, čo je lepšie ako u mnohých bežných systémov. Má tiež veľmi úzku šírku čiary, čo znamená, že svetlo, ktoré vyžaruje, je veľmi čisté a stabilné, čo je dôležité pre koherentné aplikácie, ako je snímanie, gyroskopy, lidar a optická frekvenčná metrológia. Vernierov filter na báze mikrodier poskytuje laseru laditeľnosť širokej vlnovej dĺžky 40 nm v C-pásme a L-pásme (rozsah vlnových dĺžok používaných pre telekomunikácie), čím prekonáva konvenčné vláknové lasery v ladení a nízkych spektrálnych ostrohoch („ostrohy“ sú nežiaduce frekvencie ), pričom zostáva kompatibilný so súčasnými výrobnými procesmi polovodičov.
Obrázok 3: Ukážka širokopásmového ladenia vlnovej dĺžky lasera. Zdroj: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji a kol., "Plne hybridný integrovaný laser na báze erbia," Nature Photonics (2024). Lasery novej generácie
Miniaturizácia a integrácia erbiových vláknových laserov do zariadení s čipovou mierkou by mohla znížiť ich celkové náklady, vďaka čomu sú užitočné pre prenosné, vysoko integrované systémy v telekomunikáciách, lekárskej diagnostike a spotrebnej elektronike.
Obrázok 4: Plne hybridná integrovaná charakteristika laserového šumu a EDWL. Zdroj: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al, "Plne hybridný integrovaný laser na báze erbia," Nature Photonics (2024). Mohlo by to tiež zmenšiť optickú technológiu pre rôzne ďalšie aplikácie, ako je LIDAR, mikrovlnná fotonika, syntéza optickej frekvencie a komunikácia vo voľnom priestore. Dr. Yang Liu hovorí: "Oblasti použitia tohto nového integrovaného lasera dopovaného erbiom sú prakticky neobmedzené."
