Общ преглед Лазерите революционизираха света от 60-те години на миналия век и сега са незаменим инструмент в съвременните приложения, от авангардна хирургия и прецизно производство до оптично предаване на данни. С нарастването на търсенето на лазерни приложения обаче възникват и предизвикателства. Например, пазарът на оптични лазери се разширява и в момента те се използват главно в приложения за промишлено рязане, заваряване и маркиране. Влакнестите лазери използват оптични влакна, легирани с редкоземни елементи (ербий, итербий, неодим и др.) като среда за оптично усилване. Влакнестите лазери произвеждат висококачествени лъчи, висока изходна мощност, висока ефективност, ниски разходи за поддръжка и 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 останат стабилни за дълго 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 влакнестите лазери в малък мащаб винаги е било предизвикателство за миниатюризирането на влакнестите лазери.
Сега екип от учени, ръководен от д-р Янг Лиу и професор Тобиас Кипенберг от EPFL, създаде първия интегриран в чип вълноводен лазер с легиран ербий, който се доближава до производителността на оптични лазери, като същевременно комбинира широка възможност за настройка на дължината на вълната с практичността на фотонния мащаб на чип интеграция. Изследването е публикувано в Nature Photonics.
Изображение на напълно пакетиран хибриден интегриран ербиев лазер, базиран на фотонен интегриран чип от силициев нитрид, който осигурява кохерентност на влакнестия лазер и недостижима преди това възможност за настройка на честотата. Източник: Андреа Банкора и Янг Лиу (EPFL).
Производство на чип мащабен лазер
Изследователите разработиха ербиев лазер с мащаб на чип, използвайки най-съвременните производствени процеси. Те първо изградиха оптична кухина върху чип с дължина един метър (набор от огледала, които осигуряват оптична обратна връзка) върху фотонен интегриран чип от силициев нитрид с изключително ниски загуби. „Въпреки малкия размер на чипа, успяхме да проектираме лазерната кухина да бъде с дължина един метър, благодарение на интегрирането на тези резонатори с микродупки, които ефективно разширяват оптичния път, без да увеличават физически устройството“, каза д-р. Янг Лиу. След това екипът имплантира висока концентрация на ербиеви йони в чипа, за да произведе селективно активната усилваща среда, необходима за лазерно излъчване. И накрая, те интегрираха веригата с III-V полупроводников лазер с помпа, за да възбудят ербиевите йони, карайки ги да излъчват светлина и да произвеждат лазерен лъч.
Фигура 1: Хибриден интегриран Er:Si3N4 лазер. Източник: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al., „Напълно хибриден интегриран ербиев лазер“, Nature Photonics (2024). За да подобрят производителността на лазера и да дадат възможност за прецизен контрол на дължината на вълната, изследователите разработиха иновативен вътрешнокухинен дизайн, използвайки базиран на микропори Vernier филтър, оптичен филтър, способен да избира специфични светлинни честоти. Този филтър може динамично да регулира дължината на лазерната вълна в широк диапазон, което го прави универсален и подходящ за различни приложения. Този дизайн поддържа стабилни едномодови лазери с присъща ширина на линията само 50 Hz.
Той също така има значително потискане на страничните режими - лазерът е в състояние да излъчва светлина на една единствена, стабилна честота, като минимизира интензитета на другите честоти ("странични режими"). Това гарантира "чист" и стабилен изход в целия спектрален диапазон за приложения с висока точност.
Фигура 2: Хибриден интегриран Er:Si3N4vernier лазер, работещ в едномодов лазерен лъч. Източник: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al., „Напълно хибриден интегриран ербиев лазер,“ Nature Photonics (2024). 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 потискане на страничния 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, лидари и оптична честотна метрология. Филтърът Vernier, базиран на микродупки, дава на лазера регулируемост на широка дължина на вълната от 40 nm в C-лентата и L-лентата (диапазонът на дължината на вълната, използван за телекомуникации), превъзхождайки конвенционалните оптични лазери по отношение на настройката и ниските спектрални разклонения ("шпорите" са нежелани честоти ), като същевременно остават съвместими с настоящите процеси за производство на полупроводници.
Фигура 3: Демонстрация на широколентова настройка на дължината на вълната на лазера. Източник: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji и др., „Напълно хибриден интегриран лазер на базата на ербий“, Nature Photonics (2024). Лазери от следващо поколение
Миниатюризирането и интегрирането на лазери с ербиеви влакна в устройства с мащаб на чип може да намали общата им цена, което ги прави полезни за преносими, силно интегрирани системи в телекомуникациите, медицинската диагностика и потребителската електроника.
Фигура 4: Напълно хибридно интегрирано характеризиране на лазерния шум и EDWL. Източник: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al, „Напълно хибриден интегриран лазер на базата на ербий“, Nature Photonics (2024). Може също така да намали мащаба на оптичната технология за различни други приложения, като LIDAR, микровълнова фотоника, оптичен честотен синтез и комуникации в свободното пространство. казва д-р Янг Лиу, "Областите на приложение на този нов интегриран лазер с добавка на ербий са практически неограничени."
