Översikt Lasrar har revolutionerat världen sedan 1960-talet och är nu ett oumbärligt verktyg i moderna applikationer, från banbrytande kirurgi och precisionstillverkning till fiberoptisk dataöverföring. Men i takt med att efterfrågan på laserapplikationer växer uppstår även utmaningar. Till exempel expanderar marknaden för fiberlasrar, och de används för närvarande främst inom industriell skärning, svetsning och märkningsapplikationer. Fiberlasrar använder optiska fibrer dopade med sällsynta jordartsmetaller (erbium, ytterbium, neodym, etc.) som det optiska förstärkningsmediet. Fiberlasrar producerar strålar av hög kvalitet, hög uteffekt, hög effektivitet, låga underhållskostnader och hållbarhet och är i allmänhet mindre än gaslasrar. Fiberlasrar är också "guldstandarden" för lågfasbrus, vilket gör att deras strålar kan förbli stabila under lång tid. Trots detta finns det en växande efterfrågan på miniatyrisering av fiberlasrar i chipsskala. Erbiumbaserade fiberlasrar är av särskilt intresse eftersom de uppfyller alla krav för att bibehålla hög koherens och stabilitet hos lasern. Hur man bibehåller prestanda hos fiberlasrar i liten skala har dock alltid varit en utmaning för att miniatyrisera fiberlasrar.
Nu har ett team av forskare under ledning av Dr Yang Liu och professor Tobias Kippenberg vid EPFL skapat den första chipintegrerade erbiumdopade vågledarlasern som närmar sig prestanda hos fiberlasrar samtidigt som den kombinerar bred våglängdsavstämning med det praktiska med fotonik i chipskala integration. Studien publicerades i Nature Photonics.
Bild av en fullt förpackad hybridintegrerad erbiumlaser baserad på ett fotoniskt integrerat kiselnitridchip, som ger fiberlaserkoherens och tidigare ouppnåelig frekvensavstämning. Källa: Andrea Bancora och Yang Liu (EPFL).
Tillverkning av en laser i chipsskala
Forskarna utvecklade en erbiumlaser i chip-skala med hjälp av state-of-the-art tillverkningsprocesser. De byggde först en en meter lång optisk kavitet på chipet (en uppsättning speglar som ger optisk återkoppling) på ett fotoniskt integrerat chip med ultralåg förlust av kiselnitrid. "Trots den lilla storleken på chippet kunde vi designa laserkaviteten så att den var en meter lång, tack vare integrationen av dessa mikrohålsresonatorer, som effektivt förlänger den optiska vägen utan att fysiskt förstora enheten", säger Dr. Yang Liu. Teamet implanterade sedan en hög koncentration av erbiumjoner i chipet för att selektivt producera det aktiva förstärkningsmediet som krävs för lasering. Slutligen integrerade de kretsen med en III-V halvledarpumplaser för att excitera erbiumjonerna, vilket fick dem att emittera ljus och producera en laserstråle.
Figur 1: Hybridintegrerad Er:Si3N4-laser. Källa: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al., "En helt hybrid integrerad erbiumbaserad laser", Nature Photonics (2024). För att förfina laserns prestanda och möjliggöra exakt våglängdskontroll, utvecklade forskarna en innovativ intrakavitetsdesign med ett mikroporbaserat Vernier-filter, ett optiskt filter som kan välja specifika ljusfrekvenser. Detta filter kan dynamiskt justera laservåglängden över ett brett område, vilket gör det mångsidigt och lämpligt för en mängd olika applikationer. Denna design stöder stabila singelmodslasrar med en inre linjebredd på endast 50 Hz.
Den har också betydande sidolägesdämpning - lasern kan avge ljus vid en enda, stabil frekvens samtidigt som den minimerar intensiteten hos andra frekvenser ("sidolägen"). Detta säkerställer "ren" och stabil utsignal över hela spektralområdet för tillämpningar med hög precision.
Figur 2: Hybridintegrerad Er:Si3N4vernier-laser som arbetar i singelmodslasing. Källa: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al., "En helt hybrid integrerad erbiumbaserad laser," Nature Photonics (2024). Effekt, precision, stabilitet och lågt brus. Erbiumfiberlasern i chipskala har en uteffekt på mer än 10 mW och ett sidolägesundertryckningsförhållande på mer än 70 dB, vilket är bättre än många konventionella system. Den har också en mycket smal linjebredd, vilket gör att ljuset den avger är mycket rent och stabilt, vilket är viktigt för sammanhängande applikationer som avkänning, gyroskop, lidar och optisk frekvensmetrologi. Det mikrohålsbaserade Vernier-filtret ger laserns breda våglängdsavstämning på 40 nm i C-bandet och L-bandet (våglängdsområdet som används för telekommunikation), överträffar konventionella fiberlasrar vid avstämning och lågspektrala sporrar ("sporrar" är oönskade frekvenser ) samtidigt som den förblir kompatibel med nuvarande halvledartillverkningsprocesser.
Figur 3: Demonstration av bredbandsinställning av laservåglängd. Källa: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji, et al., "En helt hybrid integrerad erbiumbaserad laser," Nature Photonics (2024). Nästa generations lasrar
Miniatyrisering och integrering av erbiumfiberlasrar i chip-skala enheter kan minska deras totala kostnad, vilket gör dem användbara för bärbara, högintegrerade system inom telekommunikation, medicinsk diagnostik och konsumentelektronik.
Figur 4: Helhybridintegrerad laserbruskarakterisering och EDWL. Källa: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al, "En helt hybrid integrerad erbiumbaserad laser," Nature Photonics (2024). Den skulle också kunna skala ner optisk teknologi för en mängd andra applikationer, såsom LIDAR, mikrovågsfotonik, optisk frekvenssyntes och fritt rymdkommunikation. säger Dr Yang Liu, "Användningsområdena för denna nya erbiumdopade integrerade laser är praktiskt taget obegränsade."
