Lasrar i chipsstorlek kan ersätta fiberlasrar?

Nyligen utvecklade forskare från École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) en chip-integrerad erbium-dopad vågledarlaser, en ny typ av laser vars prestanda ligger nära fiberlasrar, som kombinerar avstämning och det praktiska med fotonisk integration i chipsskala .
Det är välkänt att fiberlasrar använder optiska fibrer dopade med sällsynta jordartsmetaller som förstärkningsmedium. Jämfört med gaslasrar som koldioxid har de därför fördelarna med hög strålkvalitet, hög effekt, hög effektivitet, liten storlek och sömlös integrering av fiberutgång och flexibla bearbetningsplattformar.
Och för att möta efterfrågan på fiberlasrar i chipsskala vände sig forskare till erbium som förstärkningsmedium. Erbiumbaserade fiberlasrar är särskilt lovande eftersom de uppfyller kraven på att bibehålla hög koherens och stabilitet. Miniatyrisering av erbiumbaserade fiberlasrar har dock länge varit svår att uppnå på grund av svårigheten att bibehålla deras unika höga prestanda.
För detta ändamål konstruerade forskarna först en meterlång optisk kavitet på chipet baserad på en fotonisk integrerad krets av kiselnitrid med ultralåg förlust. Enligt Yang Liu, en forskare vid Laboratory of Photonics and Quantum Measurements vid École Polytechnique Fédérale de Lausanne: Trots den kompakta chipstorleken kunde vi designa laserkaviteten till en meterlång längd tack vare integrationen av dessa mikro -ringresonatorer, som effektivt utökar den optiska vägen utan behov av fysiska förstärkaranordningar.
Stort genombrott! Chipsstora lasrar kan ersätta fiberlasrar?
Teamet implanterade sedan en hög koncentration av erbiumjoner i kretsen för att selektivt generera det aktiva förstärkningsmediet som krävs för lasring. Slutligen integrerade de kretsarna med III-V halvledarpumplasrar för att excitera erbiumjonerna så att de kunde avge ljus och producera en laserstråle.
För att förbättra laserns prestanda och möjliggöra exakt våglängdskontroll, utvecklade forskarna en innovativ intrakavitetsdesign med ett mikroringbaserat vernierfilter, ett filter som väljer ljus vid en specifik frekvens för att förbättra laserns prestanda och möjliggöra exakt våglängdskontroll.
Filtret tillåter dynamisk avstämning av laservåglängden på 40 nm i både C- och L-bandet, vilket överträffar konventionella fiberlasrar i både avstämning och lågspektrala falska mått, samtidigt som kompatibiliteten med nuvarande halvledartillverkningsprocesser bibehålls. Designen stöder stabil singelmodslasring med en inre linjebredd på 50 Hz.
Med en uteffekt som överstiger 10 mW och ett sidolägesavvisningsförhållande som är större än 70 dB överträffar den erbiumbaserade fiberlasern i chipskala många konventionella lasrar. Deras smala linjebredd tillåter dem att avge rent och stabilt ljus, vilket gör dem idealiska för sammanhängande applikationer som avkänning, gyroskop, LIDAR och optisk frekvensmetrologi.
Att minska och integrera erbiumfiberlasrar i chip-skala enheter kan göra dem mer överkomliga, vilket öppnar upp för nya applikationer för högintegrerade mobila system inom hemelektronik, medicinsk diagnostik och telekommunikation. Det kan också krympa optisk teknologi i flera andra applikationer, inklusive LIDAR, mikrovågsfotonik, optisk frekvenssyntes och fritt rymdkommunikation.