Лазерите революционизираха света от 60-те години на миналия век и сега са незаменими инструменти за съвременни приложения, вариращи от авангардна хирургия и прецизно производство до предаване на данни чрез оптични влакна.
Но с нарастването на търсенето на лазерни приложения нарастват и предизвикателствата. Например, има разрастващ се пазар за лазери с влакна, които сега се използват предимно в приложения за промишлено рязане, заваряване и маркиране.
Влакнестите лазери използват оптични влакна, легирани с редкоземни елементи (ербий, итербий, неодим и др.) като източник на оптично усилване (частта, която произвежда лазерната светлина). Влакнестите лазери излъчват висококачествени лъчи с висока изходна мощност, висока ефективност, лесна поддръжка, издръжливост и обикновено са по-малки от газовите лазери. Влакнестите лазери също са "златен стандарт" за нисък фазов шум, което означава, че техните лъчи могат да бъдат стабилни за дълги периоди от време.
Въпреки това, има нарастващо търсене на миниатюризация на чипови влакнести лазери. Влакнестите лазери на базата на ербий са от особен интерес, тъй като отговарят на всички изисквания за поддържане на висока кохерентност и стабилност на лазера. Въпреки това, как да се поддържа производителността на фибролазерите в малки мащаби е предизвикателство за миниатюризираните фибролазери.
Сега учените, ръководени от д-р Янг Лиу и проф. Тобиас Кипенберг от EPFL, създадоха първите интегрирани в чип вълноводни лазери, легирани с ербий, с производителност, близка до тази на фибровлакнестите лазери, като същевременно комбинират полезността на възможността за настройка на широка дължина на вълната и фотоника в мащаб на чип интеграция. Изследването е публикувано в Nature Photonics.
Изграждане на чипови лазери
Изследователите разработиха ербиеви лазери с мащаб на чип, използвайки най-съвременни производствени процеси. Те първо конструираха оптична кухина върху чип с дължина един метър (набор от огледала, които осигуряват оптична обратна връзка) на базата на фотонна интегрална схема от силициев нитрид с изключително ниски загуби.
Д-р Янг Лиу каза: „Въпреки компактния размер на чипа, успяхме да проектираме лазерната кухина да бъде с дължина един метър благодарение на интегрирането на тези микровиа резонатори, които ефективно разширяват оптичния път, без да увеличават физически устройството.“
След това екипът имплантира висока концентрация на ербиеви йони във веригата, за да генерира селективно активната усилваща среда, необходима за лазерно излъчване. Накрая те интегрираха веригата с полупроводников изпомпван лазер от група III-V, за да възбудят ербиевите йони да излъчват светлина и да произвеждат лазерен лъч.
За да подобрят производителността на лазера и да постигнат прецизен контрол на дължината на вълната, изследователите разработиха иновативен вътрешнокухинен дизайн, включващ микропорест филтър, базиран на Vernier, оптичен филтър, който позволява избор на специфична оптична честота.
Този филтър позволява динамична настройка на дължината на вълната на лазера в широк диапазон от дължини на вълните, което го прави универсален и подходящ за голямо разнообразие от приложения. Този дизайн поддържа стабилни едномодови лазери с впечатляващо тясна вътрешна ширина на линията от само 50 Hz.
Той също така разполага със значително потискане на страничния режим, при което лазерът е в състояние да излъчва светлина на една единствена, стабилна честота, като същевременно минимизира интензитета на другите честоти („странични режими“). Това гарантира "чист" и стабилен изход в целия спектрален диапазон за приложения с висока точност.
Оптичен образ на хибриден интегриран лазер, базиран на легирана с ербий фотонна интегрална схема, предлагаща кохерентността на фибров лазер и недостижима преди това възможност за настройка на честотата.
Мощност, прецизност, стабилност и нисък шум
Лазерът с ербиеви влакна в мащаб на чип има изходна мощност от повече от 10 mW и коефициент на отхвърляне на страничен режим от повече от 70 dB, което е по-добро от много конвенционални системи.
Освен това има много тясна ширина на линията, което означава, че светлината, която излъчва, е много чиста и стабилна, което е важно за кохерентни приложения като сензори, жироскопи, LIDAR и оптична честотна метрология.
Базираният на микроапертура Vernier филтър позволява на лазера да има възможност за широка настройка на дължината на вълната от 40 nm както в C-лентата, така и в L-лентата (диапазонът на дължината на вълната, използван за телекомуникациите), превъзхождайки конвенционалните лазери с влакна както при настройка, така и при нисък спектрален пик метрики ("шиповете" са нежелани честоти), като в същото време са съвместими с текущите процеси на производство на полупроводници, остават съвместими.
Лазери от следващо поколение
Миниатюризирането и интегрирането на лазери с ербиеви влакна в устройства с мащаб на чип намалява общата им цена, позволявайки им да бъдат използвани в преносими, силно интегрирани системи в телекомуникациите, медицинската диагностика и потребителската електроника.
Той може също така да намали размера на оптичната технология за различни други приложения, като LIDAR, микровълнова фотоника, оптичен честотен синтез и комуникации в свободното пространство.
