Дослідники EPFL розробили компактний високопродуктивний ербієвий лазер із чіпом, що розширює можливості застосування в технології та медицині. Починаючи з 1960-х років, лазери змінили світ і стали необхідними в сучасних додатках, включаючи передову хірургію, точне виробництво та передачу даних через оптоволокно.
Але зі зростанням потреби в лазерних додатках зростають і проблеми. Наприклад, зростає ринок волоконних лазерів, які зараз використовуються для промислового різання, зварювання та маркування.
Волоконні лазери використовують оптичне волокно, леговане рідкісноземельними елементами (ербій, ітербій, неодим тощо), як джерело оптичного підсилення (частина, яка створює світло лазера). Вони випромінюють високоякісні промені, мають високу вихідну потужність, вони ефективні, невибагливі в обслуговуванні, довговічні та зазвичай менші за газові лазери. Волоконні лазери також є «золотим стандартом» для низькофазового шуму, тобто їхні промені залишаються стабільними з часом.
Але, незважаючи на все це, зростає попит на мініатюризацію волоконних лазерів на рівні мікросхем. Особливо цікаві волоконні лазери на основі ербію, оскільки вони відповідають усім вимогам для підтримки високої когерентності та стабільності лазера. Але їх мініатюризація стикається з труднощами у підтримці їх продуктивності в малих масштабах.
Тепер вчені під керівництвом доктора Ян Лю та професора Тобіаса Кіппенберга з EPFL створили перший в історії хвилеводний лазер із добавкою ербію, інтегрований у чіп, який наближається до продуктивності волоконних лазерів, поєднуючи широку довжину хвилі з можливістю налаштування фотонної інтеграції в масштабі чіпа. . Прорив опубліковано в Nature Photonics.
Створення чіп-лазера
Дослідники розробили свій ербієвий лазер із застосуванням найсучаснішого процесу виготовлення. Вони почали з конструювання метрового оптичного резонатора на кристалі (набору дзеркал, які забезпечують оптичний зворотний зв’язок) на основі фотонної інтегральної схеми з наднизькими втратами нітриду кремнію.
«Ми змогли спроектувати лазерний резонатор так, щоб він мав довжину в метр, незважаючи на компактний розмір мікросхеми, завдяки інтеграції цих мікрокільцевих резонаторів, які ефективно розширюють оптичний шлях без фізичного збільшення пристрою», — говорить д-р Лю.
Потім команда імплантувала схему з високою концентрацією іонів ербію, щоб вибірково створити активне підсилювальне середовище, необхідне для лазерної генерації. Нарешті, вони інтегрували схему з напівпровідниковим лазером накачки III-V для збудження іонів ербію, щоб вони могли випромінювати світло та створювати лазерний промінь.
Щоб удосконалити продуктивність лазера та досягти точного контролю довжини хвилі, дослідники розробили інноваційну внутрішньопорожнинну конструкцію, що включає ноніусні фільтри на основі мікрокільця, тип оптичного фільтра, який може вибирати певні частоти світла.
Фільтри дозволяють динамічно налаштовувати довжину хвилі лазера в широкому діапазоні, що робить його універсальним і придатним для використання в різних застосуваннях. Ця конструкція підтримує стабільну одномодову генерацію з вражаюче вузькою власною шириною лінії лише 50 Гц.
Це також забезпечує значне придушення побічної моди – здатність лазера випромінювати світло на одній узгодженій частоті, мінімізуючи інтенсивність інших частот («побічні моди»). Це забезпечує «чистий» і стабільний вихід у всьому спектрі світла для високоточних застосувань.
Потужність, точність, стабільність і низький рівень шуму
Ербієвий волоконний лазер у масштабі чіпа має вихідну потужність понад 10 мВт і коефіцієнт придушення бічної моди понад 70 дБ, перевершуючи багато звичайних систем. Він також має дуже вузьку ширину лінії, що означає, що світло, яке він випромінює, є дуже чистим і рівномірним, що важливо для когерентних застосувань, таких як зондування, гіроскопи, LiDAR і метрологія оптичної частоти.
Ноніусний фільтр на основі мікрокільця забезпечує широку довжину хвилі лазера на 40 нм у C- та L-діапазонах (діапазони довжин хвиль, що використовуються в телекомунікаціях), перевершуючи застарілі волоконні лазери як за налаштуванням, так і за показниками низьких спектральних хвиль («шпори» небажані). частот), залишаючись сумісним із поточними процесами виробництва напівпровідників.
Лазери нового покоління
Мініатюризація та інтеграція ербієвих волоконних лазерів у пристрої з мікросхемою може зменшити їхню загальну вартість, зробивши їх доступними для портативних і високоінтегрованих систем телекомунікацій, медичної діагностики та побутової електроніки. Він також може зменшити масштаб оптичних технологій у різних інших програмах, таких як LiDAR, мікрохвильова фотоніка, оптичний синтез частот і комунікації у вільному просторі.
«Сфери застосування такого нового класу ербієвих інтегрованих лазерів практично необмежені», — каже Лю.