Laseri su revolucionirali svijet od 1960-ih i sada su nezamjenjivi alati za moderne primjene u rasponu od vrhunske kirurgije i precizne proizvodnje do prijenosa podataka putem optičkih vlakana.
Ali kako potražnja za laserskim primjenama raste, tako rastu i izazovi. Na primjer, postoji rastuće tržište za fiber lasere, koji se sada prvenstveno koriste u industrijskom rezanju, zavarivanju i označavanju.
Svjetlovodni laseri koriste optička vlakna dopirana elementima rijetke zemlje (erbij, iterbij, neodim, itd.) kao izvor optičkog pojačanja (dio koji proizvodi lasersko svjetlo). Fiber laseri emitiraju visokokvalitetne zrake s velikom izlaznom snagom, visokom učinkovitošću, malim održavanjem, izdržljivošću i obično su manji od plinskih lasera. Fiber laseri također su "zlatni standard" za niski fazni šum, što znači da njihove zrake mogu biti stabilne tijekom dugih vremenskih razdoblja.
Unatoč tome, postoji rastuća potražnja za minijaturizacijom optičkih lasera na čipu. Vlaknasti laseri na bazi erbija od posebnog su interesa jer ispunjavaju sve zahtjeve za održavanje visoke koherencije i stabilnosti lasera. Međutim, kako održati učinkovitost fiber lasera na malim razmjerima bio je izazov za minijaturizirane fiber lasere.
Sada su znanstvenici pod vodstvom dr. Yang Liua i prof. Tobiasa Kippenberga iz EPFL-a proizveli prve valovodne lasere dopirane erbijem integrirane u čip s performansama bliskim onima lasera s vlaknima, dok kombiniraju korisnost podesivosti široke valne duljine i fotoniku na skali čipa integracija. Studija je objavljena u časopisu Nature Photonics.
Izrada lasera na čipu
Istraživači su razvili erbijeve lasere veličine čipa koristeći najsuvremenije proizvodne procese. Prvo su konstruirali jedan metar dugu optičku šupljinu na čipu (skup zrcala koja pružaju optičku povratnu spregu) temeljenu na fotonskom integriranom krugu silicijevog nitrida ultra-niskih gubitaka.
Dr. Yang Liu je rekao: "Unatoč kompaktnoj veličini čipa, uspjeli smo dizajnirati lasersku šupljinu da bude duga jedan metar zahvaljujući integraciji ovih mikrovijalnih rezonatora, koji učinkovito produžuju optički put bez fizičkog povećanja uređaja."
Tim je zatim implantirao visoku koncentraciju erbijevih iona u krug kako bi se selektivno generirao aktivni medij za pojačanje potreban za laser. Konačno, integrirali su krug s laserom pumpanim poluvodičem Grupe III-V kako bi pobudili ione erbija da emitiraju svjetlost i proizvedu lasersku zraku.
Kako bi poboljšali rad lasera i postigli preciznu kontrolu valne duljine, istraživači su osmislili inovativni intrakavitetni dizajn koji sadrži mikroporozni filtar baziran na Vernieru, optički filtar koji omogućuje odabir specifične optičke frekvencije.
Ovaj filtar omogućuje dinamičko ugađanje valne duljine lasera u širokom rasponu valnih duljina, što ga čini svestranim i prikladnim za razne primjene. Ovaj dizajn podržava stabilne single-mode lasere s impresivno uskom unutarnjom širinom linije od samo 50 Hz.
Također ima značajnu supresiju bočnog načina rada, gdje laser može emitirati svjetlost na jednoj, stabilnoj frekvenciji dok minimizira intenzitet drugih frekvencija ("bočni načini rada"). Ovo osigurava "čist" i stabilan izlaz u cijelom spektralnom rasponu za visokoprecizne primjene.
Optička slika hibridnog integriranog lasera temeljenog na fotonskom integriranom krugu dopiranom erbijem, koji nudi koherenciju optičkog lasera i prethodno nedostižnu podesivost frekvencije.
Snaga, preciznost, stabilnost i niska razina buke
Laser s erbijevim vlaknima na čipu ima izlaznu snagu veću od 10 mW i omjer odbijanja bočnog načina rada veći od 70 dB, što je superiornije od mnogih konvencionalnih sustava.
Također ima vrlo usku širinu linije, što znači da je svjetlost koju emitira vrlo čista i stabilna, što je važno za koherentne primjene kao što su senzori, žiroskopi, LIDAR i optičko frekvencijsko mjeriteljstvo.
Vernier filtar temeljen na mikrootvoru omogućuje laseru široku podesivost valne duljine od 40 nm u C-pojasu i L-pojasu (raspon valne duljine koji se koristi za telekomunikacije), nadmašujući konvencionalne lasere s vlaknima i u podešavanju i niskom spektralnom skoku metrike ("šiljci" su neželjene frekvencije), dok su u isto vrijeme kompatibilni s trenutnim procesima proizvodnje poluvodiča i dalje su kompatibilni.
Laseri nove generacije
Minijaturizacija i integracija lasera s erbijevim vlaknima u uređaje veličine čipa smanjuje njihovu ukupnu cijenu, dopuštajući im da se koriste u prijenosnim, visoko integriranim sustavima u telekomunikacijama, medicinskoj dijagnostici i potrošačkoj elektronici.
Također može smanjiti optičku tehnologiju za razne druge primjene, kao što su LIDAR, mikrovalna fotonika, sinteza optičkih frekvencija i komunikacije u slobodnom prostoru.
