Lasere har revolusjonert verden siden 1960-tallet og er nå uunnværlige verktøy for moderne bruksområder, fra banebrytende kirurgi og presisjonsproduksjon til fiberoptisk dataoverføring.
Men etter hvert som etterspørselen etter laserapplikasjoner øker, øker også utfordringene. For eksempel er det et voksende marked for fiberlasere, som nå primært brukes i industriell skjæring, sveising og merking.
Fiberlasere bruker optiske fibre dopet med sjeldne jordartsmetaller (erbium, ytterbium, neodym, etc.) som den optiske forsterkningskilden (delen som produserer laserlyset). Fiberlasere sender ut stråler av høy kvalitet med høy utgangseffekt, høy effektivitet, lite vedlikehold, holdbarhet og er vanligvis mindre enn gasslasere. Fiberlasere er også "gullstandarden" for lavfasestøy, noe som betyr at strålene deres kan være stabile over lengre perioder.
Til tross for dette er det en økende etterspørsel etter miniatyrisering av fiberlasere i brikkeskala. Erbiumbaserte fiberlasere er av spesiell interesse fordi de oppfyller alle kravene for å holde laserens koherens og stabilitet høy. Hvordan opprettholde ytelsen til fiberlasere i små skalaer har imidlertid vært en utfordring for miniatyriserte fiberlasere.
Nå har forskere ledet av Dr. Yang Liu og Prof. Tobias Kippenberg ved EPFL laget de første brikkeintegrerte erbium-dopete bølgelederlaserne med ytelse nær fiberlasere, samtidig som de kombinerer nytten av bred bølgelengdeavstemming og fotonikk i brikkeskala integrering. Studien ble publisert i Nature Photonics.
Bygge lasere i brikkeskala
Forskerne utviklet erbiumlasere i chip-skala ved bruk av toppmoderne produksjonsprosesser. De konstruerte først et én meter langt optisk hulrom på brikken (et sett med speil som gir optisk tilbakemelding) basert på en fotonisk integrert krets med ultralavt tap av silisiumnitrid.
Dr. Yang Liu sa: "Til tross for den kompakte brikkestørrelsen, var vi i stand til å designe laserhulrommet til å være én meter langt takket være integreringen av disse mikrovia-resonatorene, som effektivt utvider den optiske banen uten å fysisk forstørre enheten."
Teamet implanterte deretter en høy konsentrasjon av erbiumioner i kretsen for å selektivt generere det aktive forsterkningsmediet som trengs for lasering. Til slutt integrerte de kretsen med en gruppe III-V halvlederpumpet laser for å eksitere erbiumionene for å sende ut lys og produsere en laserstråle.
For å avgrense laserens ytelse og oppnå presis bølgelengdekontroll, utviklet forskerne en innovativ intrakavitetsdesign med et mikroporøst Vernier-basert filter, et optisk filter som gjør det mulig å velge en spesifikk optisk frekvens.
Dette filteret tillater dynamisk innstilling av laserbølgelengden over et bredt spekter av bølgelengder, noe som gjør det allsidig og egnet for en lang rekke bruksområder. Denne designen støtter stabile enkeltmoduslasere med en imponerende smal intern linjebredde på kun 50 Hz.
Den har også betydelig sidemodusundertrykkelse, der laseren er i stand til å sende ut lys ved en enkelt, stabil frekvens mens den minimerer intensiteten til andre frekvenser ("sidemoduser"). Dette sikrer "ren" og stabil utgang over hele spektralområdet for høypresisjonsapplikasjoner.
Optisk bilde av en hybrid integrert laser basert på en erbium-dopet fotonisk integrert krets, som tilbyr koherensen til en fiberlaser og tidligere uoppnåelig frekvensavstemming.
Kraft, presisjon, stabilitet og lite støy
Erbiumfiberlaseren i brikkeskala har en utgangseffekt på mer enn 10 mW og et sidemodusavvisningsforhold på mer enn 70 dB, noe som er overlegent mange konvensjonelle systemer.
Den har også en veldig smal linjebredde, noe som gjør at lyset den sender ut er veldig rent og stabilt, noe som er viktig for sammenhengende applikasjoner som sensing, gyroskop, LIDAR og optisk frekvensmetrologi.
Det mikroåpningsbaserte Vernier-filteret lar laseren ha en bred bølgelengdeavstemming på 40 nm i både C-båndet og L-båndet (bølgelengdeområdet som brukes for telekom), og overgår konvensjonelle fiberlasere både når det gjelder tuning og lav spektral spike beregninger ("spikes" er uønskede frekvenser), samtidig som de er kompatible med gjeldende halvlederproduksjonsprosesser, forblir kompatible.
Neste generasjons lasere
Miniatyrisering og integrering av erbiumfiberlasere i enheter i brikkeskala reduserer de totale kostnadene, slik at de kan brukes i bærbare, høyt integrerte systemer innen telekommunikasjon, medisinsk diagnostikk og forbrukerelektronikk.
Den kan også redusere optisk teknologi for en rekke andre applikasjoner, som LIDAR, mikrobølgefotonikk, optisk frekvenssyntese og kommunikasjon med ledig plass.
