Přehled Lasery způsobily revoluci ve světě od 60. let 20. století a jsou nyní nepostradatelným nástrojem v moderních aplikacích, od špičkové chirurgie a přesné výroby až po přenos dat pomocí optických vláken. S rostoucí poptávkou po laserových aplikacích však vyvstávají také problémy. Rozšiřuje se například trh s vláknovými lasery, které se v současnosti používají především v průmyslových aplikacích řezání, svařování a značení. Vláknové lasery používají optická vlákna dopovaná prvky vzácných zemin (erbium, ytterbium, neodym atd.) jako médium optického zisku. Vláknové lasery produkují vysoce kvalitní paprsky, vysoký výstupní výkon, vysokou účinnost, nízké náklady na údržbu a odolnost a jsou obecně menší než plynové lasery. Vláknové lasery jsou také „zlatým standardem“ pro nízký fázový šum, což znamená, že jejich paprsky mohou zůstat stabilní po dlouhou dobu. Navzdory tomu roste poptávka po miniaturizaci vláknových laserů v měřítku čipů. Vláknové lasery na bázi erbia jsou zvláště zajímavé, protože splňují všechny požadavky na udržení vysoké koherence a stability laseru. Nicméně, jak udržet výkon vláknových laserů v malém měřítku, bylo vždy výzvou pro miniaturizaci vláknových laserů.
Nyní tým vědců vedený Dr. Yang Liu a profesorem Tobiasem Kippenbergem z EPFL vytvořil první čipem integrovaný erbiem dopovaný vlnovodný laser, který se blíží výkonu vláknových laserů a zároveň kombinuje laditelnost široké vlnové délky s praktičností čipové fotoniky. integrace. Studie byla publikována v Nature Photonics.
Obrázek plně zabaleného hybridního integrovaného erbiového laseru založeného na fotonickém integrovaném čipu z nitridu křemíku, který poskytuje koherenci vláknového laseru a dříve nedosažitelnou laditelnost frekvence. Zdroj: Andrea Bancora a Yang Liu (EPFL).
Výroba čipového laseru
Výzkumníci vyvinuli erbiový laser v měřítku čipů pomocí nejmodernějších výrobních procesů. Nejprve postavili jeden metr dlouhou optickou dutinu na čipu (soubor zrcadel, která poskytují optickou zpětnou vazbu) na fotonickém integrovaném čipu s ultranízkými ztrátami z nitridu křemíku. „Navzdory malé velikosti čipu jsme byli schopni navrhnout dutinu laseru na délku jednoho metru, a to díky integraci těchto mikrootvorových rezonátorů, které efektivně prodlužují optickou dráhu bez fyzického zvětšení zařízení,“ řekl Dr. Yang Liu. Tým poté do čipu implantoval vysokou koncentraci erbiových iontů, aby selektivně produkoval médium aktivního zisku potřebné pro laser. Nakonec integrovali obvod s laserem s polovodičovým čerpadlem III-V, aby excitovali ionty erbia, což způsobilo, že emitovaly světlo a produkovaly laserový paprsek.
Obrázek 1: Hybridní integrovaný laser Er:Si3N4. Zdroj: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al., "Plně hybridní integrovaný laser na bázi erbia", Nature Photonics (2024). Aby se zlepšil výkon laseru a umožnilo přesné řízení vlnové délky, výzkumníci vymysleli inovativní intrakavitální design využívající Vernierův filtr na bázi mikropórů, optický filtr schopný vybrat konkrétní světelné frekvence. Tento filtr dokáže dynamicky upravovat vlnovou délku laseru v širokém rozsahu, díky čemuž je univerzální a vhodný pro různé aplikace. Tato konstrukce podporuje stabilní jednovidové lasery s vlastní šířkou čáry pouze 50 Hz.
Má také výrazné potlačení vedlejších režimů – laser je schopen vyzařovat světlo na jediné stabilní frekvenci a zároveň minimalizuje intenzitu ostatních frekvencí („boční režimy“). To zajišťuje "čistý" a stabilní výstup v celém spektrálním rozsahu pro vysoce přesné aplikace.
Obrázek 2: Hybridní integrovaný laser Er:Si3N4vernier pracující v jednovidovém laseru. Zdroj: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al., "Plně hybridní integrovaný laser na bázi erbia," Nature Photonics (2024). Výkon, přesnost, stabilita a nízká hlučnost Čipový erbiový vláknový laser má výstupní výkon více než 10 mW a poměr potlačení bočního režimu více než 70 dB, což je lepší než u mnoha konvenčních systémů. Má také velmi úzkou šířku čáry, což znamená, že světlo, které vyzařuje, je velmi čisté a stabilní, což je důležité pro koherentní aplikace, jako je snímání, gyroskopy, lidar a metrologie optické frekvence. Vernierův filtr na bázi mikrootvorů poskytuje laseru laditelnost široké vlnové délky 40 nm v pásmu C a L (rozsah vlnových délek používaný pro telekomunikace), čímž předčí konvenční vláknové lasery v ladění a nízkých spektrálních ostruhách ("ostruhy" jsou nežádoucí frekvence ) při zachování kompatibility se současnými procesy výroby polovodičů.
Obrázek 3: Ukázka širokopásmového ladění vlnové délky laseru. Zdroj: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji a kol., „Plně hybridní integrovaný laser na bázi erbia,“ Nature Photonics (2024). Lasery nové generace
Miniaturizace a integrace erbiových vláknových laserů do čipových zařízení by mohla snížit jejich celkové náklady a učinit je užitečnými pro přenosné, vysoce integrované systémy v telekomunikacích, lékařské diagnostice a spotřební elektronice.
Obrázek 4: Plně hybridní integrovaná charakterizace laserového šumu a EDWL. Zdroj: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al, "Plně hybridní integrovaný laser na bázi erbia," Nature Photonics (2024). Mohl by také zmenšit optickou technologii pro řadu dalších aplikací, jako je LIDAR, mikrovlnná fotonika, syntéza optických frekvencí a komunikace ve volném prostoru. říká Dr. Yang Liu: "Oblasti použití tohoto nového integrovaného laseru dopovaného erbiem jsou prakticky neomezené."
