Преглед Ласери су направили револуцију у свету од 1960-их и сада су незаменљив алат у савременим применама, од најсавременије хирургије и прецизне производње до преноса података путем оптичких влакана. Међутим, како потражња за ласерским апликацијама расте, појављују се и изазови. На пример, тржиште оптичких ласера се шири и они се тренутно користе углавном у индустријском резању, заваривању и обележавању. Фибер ласери користе оптичка влакна допирана елементима ретких земаља (ербијум, итербијум, неодимијум, итд.) као медијум за оптичко појачање. Ласери са влакнима производе висококвалитетне зраке, велику излазну снагу, високу ефикасност, ниске трошкове одржавања и издржљивост и генерално су мањи од гасних ласера. Фибер ласери су такође „златни стандард“ за ниску фазну буку, што значи да њихови снопови могу остати стабилни дуго времена. Упркос томе, постоји све већа потражња за минијатуризацијом фибер ласера величине чипа. Фибер ласери на бази ербија су од посебног интереса јер испуњавају све захтеве за одржавање високе кохерентности и стабилности ласера. Међутим, како одржати перформансе оптичких ласера у малом обиму одувек је био изазов за минијатуризацију ласера са влакнима.
Сада је тим научника предвођен др Јангом Лиуом и професором Тобиасом Кипенбергом са ЕПФЛ-а креирао први таласоводни ласер са ербијумом допираним са чипом који се приближава перформансама ласера са влакнима док комбинује могућност подешавања широке таласне дужине са практичношћу фотонске величине чипа. интеграција. Студија је објављена у часопису Натуре Пхотоницс.
Слика потпуно упакованог хибридног интегрисаног ербијум ласера заснованог на фотонском интегрисаном чипу од силицијум нитрида, који обезбеђује кохерентност ласерског влакна и раније недостижну подесљивост фреквенције. Извор: Андреа Банцора и Ианг Лиу (ЕПФЛ).
Израда ласера величине чипа
Истраживачи су развили ербијумски ласер величине чипа користећи најсавременије процесе производње. Прво су изградили оптичку шупљину на чипу дугачку један метар (скуп огледала која пружају оптичку повратну информацију) на фотонском интегрисаном чипу од силицијум нитрида са ултра-малим губицима. "Упркос малој величини чипа, успели смо да дизајнирамо ласерску шупљину тако да буде дугачак један метар, захваљујући интеграцији ових резонатора са микро-рупама, који ефикасно продужавају оптичку путању без физичког повећања уређаја", рекао је др. Ианг Лиу. Тим је затим уградио високу концентрацију ербијум јона у чип како би селективно произвео медијум активног појачања који је потребан за ласер. Коначно, интегрисали су коло са ласером са полупроводничком пумпом ИИИ-В да би побудили јоне ербијума, наводећи их да емитују светлост и производе ласерски зрак.
Слика 1: Хибридни интегрисани Ер:Си3Н4 ласер. Извор: Ианг Лиу, Зхеру Киу, Ксинру Ји ет ал., „Потпуно хибридни интегрисани ласер на бази ербијума“, Натуре Пхотоницс (2024). Да би побољшали перформансе ласера и омогућили прецизну контролу таласне дужине, истраживачи су осмислили иновативни дизајн унутар шупљине користећи Верниер филтер заснован на микропорама, оптички филтер способан да бира специфичне фреквенције светлости. Овај филтер може динамички да подешава таласну дужину ласера у широком опсегу, чинећи га разноврсним и погодним за различите примене. Овај дизајн подржава стабилне ласере са једним модом са интринзичном ширином линије од само 50 Хз.
Такође има значајно потискивање бочног мода – ласер је у стању да емитује светлост на једној, стабилној фреквенцији док минимизира интензитет других фреквенција („бочни режими“). Ово осигурава "чист" и стабилан излаз у целом спектралном опсегу за апликације високе прецизности.
Слика 2: Хибридни интегрисани Ер:Си3Н4верниер ласер који ради у једном моду ласера. Извор: Ианг Лиу, Зхеру Киу, Ксинру Ји ет ал., "Потпуно хибридни интегрисани ласер на бази ербијума", Натуре Пхотоницс (2024). Снага, прецизност, стабилност и низак ниво буке. Ласер са ербијумским влакнима величине чипа има излазну снагу већу од 10 мВ и однос супресије бочног мода већи од 70 дБ, што је боље од многих конвенционалних система. Такође има веома уску ширину линије, што значи да је светлост коју емитује веома чиста и стабилна, што је важно за кохерентне примене као што су сензори, жироскопи, лидар и метрологија оптичких фреквенција. Вернијеов филтер базиран на микрорупама даје ласеру широку таласну дужину подесавања од 40 нм у Ц-опсезима и Л-опсезима (опсег таласних дужина који се користи за телекомуникације), надмашујући конвенционалне ласере са влакнима у подешавању и ниским спектралним спуровима („мамузе“ су нежељене фреквенције ) док остаје компатибилан са тренутним производним процесима полупроводника.
Слика 3: Демонстрација широкопојасног подешавања таласне дужине ласера. Извор: Ианг Лиу, Зхеру Киу, Ксинру Ји, ет ал., "Потпуно хибридни интегрисани ласер на бази ербијума", Натуре Пхотоницс (2024). Ласери следеће генерације
Минијатуризација и интегрисање ласера са ербијумским влакнима у уређаје величине чипа могло би да смањи њихову укупну цену, чинећи их корисним за преносиве, високо интегрисане системе у телекомуникацијама, медицинској дијагностици и потрошачкој електроници.
Слика 4: Потпуно хибридна интегрисана ласерска карактеризација шума и ЕДВЛ. Извор: Ианг Лиу, Зхеру Киу, Ксинру Ји ет ал, "Потпуно хибридни интегрисани ласер на бази ербијума", Натуре Пхотоницс (2024). Такође би могао да смањи оптичку технологију за низ других апликација, као што су ЛИДАР, микроталасна фотоника, синтеза оптичких фреквенција и комуникације у слободном простору. каже др Јанг Лиу, "Област примене овог новог интегрисаног ласера допираног ербијумом је практично неограничена."
