Огляд Лазери зробили революцію у світі з 1960-х років і зараз є незамінним інструментом у сучасних додатках, від передової хірургії та точного виробництва до волоконно-оптичної передачі даних. Однак із зростанням попиту на застосування лазерів виникають і проблеми. Наприклад, ринок волоконних лазерів розширюється, і наразі вони використовуються переважно для промислового різання, зварювання та маркування. Волоконні лазери використовують оптичні волокна, леговані рідкоземельними елементами (ербій, ітербій, неодим та ін.), як оптичне підсилювальне середовище. Волоконні лазери створюють високоякісні промені, високу вихідну потужність, високу ефективність, низькі витрати на обслуговування та довговічність, і, як правило, менші за газові лазери. Волоконні лазери також є «золотим стандартом» для низького фазового шуму, що означає, що їх промені можуть залишатися стабільними протягом тривалого часу. Незважаючи на це, існує зростаючий попит на мініатюризацію волоконних лазерів на чіпі. Волоконні лазери на основі ербію представляють особливий інтерес, оскільки вони відповідають усім вимогам для підтримки високої когерентності та стабільності лазера. Проте те, як підтримувати продуктивність волоконних лазерів у малому масштабі, завжди було проблемою для мініатюризації волоконних лазерів.
Тепер команда вчених під керівництвом доктора Ян Лю та професора Тобіаса Кіппенберга з EPFL створила перший інтегрований у чіп хвилеводний лазер із легуванням ербієм, який за продуктивністю наближається до волоконних лазерів, поєднуючи широку довжину хвилі з можливістю налаштування фотонної генерації чіпа. інтеграція. Дослідження було опубліковано в Nature Photonics.
Зображення повністю укомплектованого гібридного інтегрованого ербієвого лазера на основі фотонного інтегрованого чіпа з нітриду кремнію, який забезпечує когерентність волоконного лазера та раніше недосяжну можливість налаштування частоти. Джерело: Андреа Банкора та Ян Лю (EPFL).
Виготовлення чіп-лазера
Дослідники розробили ербієвий лазер із використанням найсучасніших процесів виготовлення. Вони спочатку побудували оптичний резонатор довжиною один метр на чіпі (набір дзеркал, які забезпечують оптичний зворотний зв’язок) на фотонному інтегрованому чіпі з наднизькими втратами з нітриду кремнію. «Незважаючи на невеликий розмір мікросхеми, ми змогли спроектувати лазерну порожнину довжиною в один метр завдяки інтеграції цих резонаторів із мікроотворами, які ефективно подовжують оптичний шлях без фізичного збільшення пристрою», — сказав доктор. Ян Лю. Потім команда імплантувала високу концентрацію іонів ербію в чіп, щоб вибірково отримати активне підсилювальне середовище, необхідне для лазерної генерації. Нарешті, вони інтегрували схему з напівпровідниковим лазером накачки III-V для збудження іонів ербію, змушуючи їх випромінювати світло та створювати лазерний промінь.
Рисунок 1: Гібридний інтегрований лазер Er:Si3N4. Джерело: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji та ін., «Повністю гібридний інтегрований лазер на основі ербію», Nature Photonics (2024). Щоб удосконалити продуктивність лазера та забезпечити точне керування довжиною хвилі, дослідники розробили інноваційну внутрішньопорожнинну конструкцію, використовуючи мікропоровий ноніусний фільтр, оптичний фільтр, здатний вибирати певні частоти світла. Цей фільтр може динамічно регулювати довжину хвилі лазера в широкому діапазоні, що робить його універсальним і придатним для різноманітних застосувань. Ця конструкція підтримує стабільні одномодові лазери з власною шириною лінії лише 50 Гц.
Він також має значне придушення побічних мод — лазер здатний випромінювати світло на одній стабільній частоті, мінімізуючи інтенсивність інших частот («побічні моди»). Це забезпечує «чистий» і стабільний вихід у всьому спектральному діапазоні для високоточних застосувань.
Рисунок 2: Гібридний інтегрований лазер Er:Si3N4vernier, що працює в одномодовому режимі генерації. Джерело: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji та ін., «Повністю гібридний інтегрований лазер на основі ербію», Nature Photonics (2024). Потужність, точність, стабільність і низький рівень шуму Ербієвий волоконний лазер у масштабі мікросхеми має вихідну потужність понад 10 мВт і коефіцієнт придушення бічної моди понад 70 дБ, що краще, ніж у багатьох звичайних систем. Він також має дуже вузьку ширину лінії, що означає, що світло, яке він випромінює, є дуже чистим і стабільним, що важливо для когерентних застосувань, таких як зондування, гіроскопи, лідари та метрологія оптичної частоти. Ноніусний фільтр на основі мікроотворів дає лазеру широку можливість налаштування довжини хвилі 40 нм у C-діапазоні та L-діапазоні (діапазон довжин хвиль, який використовується для телекомунікацій), перевершуючи звичайні волоконні лазери за налаштуванням і низькими спектральними імпульсами («шпори» — це небажані частоти). ), залишаючись сумісним із поточними процесами виробництва напівпровідників.
Рисунок 3: Демонстрація широкосмугового налаштування довжини хвилі лазера. Джерело: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji та ін., «Повністю гібридний інтегрований лазер на основі ербію», Nature Photonics (2024). Лазери нового покоління
Мініатюризація та інтеграція ербієвих волоконних лазерів у пристрої на основі мікросхем може зменшити їхню загальну вартість, що зробить їх корисними для портативних високоінтегрованих систем у телекомунікаціях, медичній діагностиці та споживчій електроніці.
Рисунок 4: Повністю гібридна інтегрована характеристика лазерного шуму та EDWL. Джерело: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji та інші, «Повністю гібридний інтегрований лазер на основі ербію», Nature Photonics (2024). Це також може зменшити оптичну технологію для ряду інших застосувань, таких як LIDAR, мікрохвильова фотоніка, оптичний синтез частот і комунікації у вільному просторі. «Сфери застосування цього нового інтегрованого лазера, легованого ербієм, практично безмежні», — каже доктор Ян Лю.
