Lasere har revolutioneret verden siden 1960'erne og er nu uundværlige værktøjer til moderne applikationer lige fra banebrydende kirurgi og præcisionsfremstilling til fiberoptisk datatransmission.
Men efterhånden som efterspørgslen efter laserapplikationer vokser, vokser udfordringerne også. For eksempel er der et voksende marked for fiberlasere, som nu primært bruges til industriel skæring, svejsning og mærkning.
Fiberlasere bruger optiske fibre doteret med sjældne jordarters elementer (erbium, ytterbium, neodym osv.) som den optiske forstærkningskilde (den del, der producerer laserlyset). Fiberlasere udsender stråler af høj kvalitet med høj udgangseffekt, høj effektivitet, lav vedligeholdelse, holdbarhed og er typisk mindre end gaslasere. Fiberlasere er også "guldstandarden" for lavfasestøj, hvilket betyder, at deres stråler kan være stabile over længere tid.
På trods af dette er der en stigende efterspørgsel efter miniaturisering af chip-skala fiberlasere. Erbium-baserede fiberlasere er af særlig interesse, fordi de opfylder alle krav til at holde laserens sammenhæng og stabilitet høj. Men hvordan man opretholder ydeevnen af fiberlasere i små skalaer har været en udfordring for miniaturiserede fiberlasere.
Nu har forskere ledet af Dr. Yang Liu og Prof. Tobias Kippenberg ved EPFL fremstillet de første chip-integrerede erbium-dopede bølgelederlasere med en ydeevne tæt på fiberlasere, mens de kombinerer nytten af bred bølgelængdetunabilitet og fotonisk chipskala integration. Undersøgelsen blev offentliggjort i Nature Photonics.
Bygning af lasere i chipskala
Forskerne udviklede chip-skala erbium lasere ved hjælp af state-of-the-art fremstillingsprocesser. De konstruerede først et en meter langt on-chip optisk hulrum (et sæt spejle, der giver optisk feedback) baseret på et ultra-lavt tab siliciumnitrid fotonisk integreret kredsløb.
Dr. Yang Liu sagde: "På trods af den kompakte chipstørrelse var vi i stand til at designe laserhulrummet til at være en meter langt takket være integrationen af disse mikrovia-resonatorer, som effektivt forlænger den optiske vej uden at forstørre enheden fysisk."
Holdet implanterede derefter en høj koncentration af erbiumioner i kredsløbet for selektivt at generere det aktive forstærkningsmedium, der er nødvendigt til lasering. Endelig integrerede de kredsløbet med en gruppe III-V halvlederpumpet laser for at excitere erbium-ionerne til at udsende lys og producere en laserstråle.
For at forfine laserens ydeevne og opnå præcis bølgelængdekontrol udtænkte forskerne et innovativt intrakavitetsdesign med et mikroporøst Vernier-baseret filter, et optisk filter, der gør det muligt at vælge en specifik optisk frekvens.
Dette filter tillader dynamisk tuning af laserbølgelængden over en bred vifte af bølgelængder, hvilket gør den alsidig og velegnet til en lang række applikationer. Dette design understøtter stabile single-mode lasere med en imponerende smal intern linjebredde på kun 50 Hz.
Den har også betydelig side-mode undertrykkelse, hvor laseren er i stand til at udsende lys ved en enkelt, stabil frekvens, mens den minimerer intensiteten af andre frekvenser ("side modes"). Dette sikrer "rent" og stabilt output over hele spektralområdet til højpræcisionsapplikationer.
Optisk billede af en hybrid integreret laser baseret på et erbium-doteret fotonisk integreret kredsløb, der tilbyder sammenhængen af en fiberlaser og hidtil uopnåelig frekvensjustering.
Kraft, præcision, stabilitet og lav støj
Erbiumfiberlaseren i chipskala har en udgangseffekt på mere end 10 mW og et side-mode afvisningsforhold på mere end 70 dB, hvilket er overlegent i forhold til mange konventionelle systemer.
Den har også en meget smal linjebredde, hvilket betyder, at lyset, den udsender, er meget rent og stabilt, hvilket er vigtigt for sammenhængende applikationer som sansing, gyroskoper, LIDAR og optisk frekvensmetrologi.
Det mikroblænde-baserede Vernier-filter gør det muligt for laseren at have en bred bølgelængdejustering på 40 nm i både C-båndet og L-båndet (bølgelængdeområdet, der bruges til telekommunikation), hvilket overgår konventionelle fiberlasere i både tuning og lavspektral spike metrikker ("spidser" er uønskede frekvenser), mens de på samme tid er kompatible med nuværende halvlederfremstillingsprocesser, forbliver kompatible.
Næste generation af lasere
Miniaturisering og integration af erbiumfiberlasere i chip-skalaenheder reducerer deres samlede omkostninger, hvilket gør det muligt for dem at blive brugt i bærbare, højt integrerede systemer inden for telekommunikation, medicinsk diagnostik og forbrugerelektronik.
Det kan også reducere optisk teknologi til en række andre applikationer, såsom LIDAR, mikrobølgefotonik, optisk frekvenssyntese og frirumskommunikation.
