Lasere i chipstørrelse kan erstatte fiberlasere?

For nylig udviklede forskere fra École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) en chip-integreret erbium-doteret bølgelederlaser, en ny type laser, hvis ydeevne er tæt på fiberlasere, der kombinerer tunbarhed og det praktiske ved fotonisk integration i chipskala .
Det er velkendt, at fiberlasere anvender optiske fibre doteret med sjældne jordarters elementer som forstærkningsmediet. Sammenlignet med gaslasere såsom kuldioxid har de derfor fordelene ved høj strålekvalitet, høj effekt, høj effektivitet, lille størrelse og sømløs integration af fiberoutput og fleksible behandlingsplatforme.
Og for at imødekomme efterspørgslen efter chip-skala fiberlasere vendte forskere sig til erbium som forstærkningsmediet. Erbium-baserede fiberlasere er særligt lovende, fordi de opfylder kravene om at opretholde høj sammenhæng og stabilitet. Miniaturisering af erbium-baserede fiberlasere har dog længe været vanskelig at opnå på grund af vanskeligheden ved at opretholde deres unikke høje ydeevne.
Til dette formål konstruerede forskerne først et meter langt on-chip optisk hulrum baseret på et fotonisk integreret kredsløb med ultralavt tab af siliciumnitrid. Ifølge Yang Liu, en forsker ved Laboratory of Photonics and Quantum Measurements ved École Polytechnique Fédérale de Lausanne: På trods af den kompakte chipstørrelse var vi i stand til at designe laserhulrummet til en meter lang længde takket være integrationen af ​​disse mikro -ring-resonatorer, som effektivt forlænger den optiske vej uden behov for fysiske forstærkerenheder.
Stort gennembrud! Chip-størrelse lasere kan erstatte fiber lasere?
Holdet implanterede derefter en høj koncentration af erbiumioner i kredsløbet for selektivt at generere det aktive forstærkningsmedium, der kræves til lasering. Endelig integrerede de kredsløbene med III-V halvlederpumpelasere for at excitere erbiumionerne, så de kunne udsende lys og producere en laserstråle.
For at forbedre laserens ydeevne og muliggøre præcis bølgelængdekontrol udtænkte forskerne et innovativt intrakavitetsdesign med et mikroringbaseret vernier-filter, et filter, der vælger lys ved en specifik frekvens for at forbedre laserens ydeevne og muliggøre præcis bølgelængdekontrol.
Filteret tillader dynamisk tuning af 40 nm laserbølgelængden i både C- og L-båndet, hvilket overstiger konventionelle fiberlasere i både tuning og lavspektrale falske metrikker, samtidig med at kompatibiliteten med nuværende halvlederfremstillingsprocesser opretholdes. Designet understøtter stabil single-mode lasering med en iboende linjebredde på 50 Hz.
Med en udgangseffekt på over 10 mW og et side-mode afvisningsforhold på mere end 70 dB overgår den chip-skala erbium-baserede fiberlaser mange konventionelle lasere. Deres smalle linjebredde gør det muligt for dem at udsende rent og stabilt lys, hvilket gør dem ideelle til sammenhængende applikationer såsom sensing, gyroskoper, LIDAR og optisk frekvensmetrologi.
Nedskæring og integration af erbiumfiberlasere i chip-skalaenheder kan gøre dem mere overkommelige, hvilket åbner op for nye applikationer til højt integrerede mobile systemer inden for forbrugerelektronik, medicinsk diagnostik og telekommunikation. Det kunne også krympe optiske teknologier i flere andre applikationer, herunder LIDAR, mikrobølgefotonik, optisk frekvenssyntese og frirumskommunikation.