Lasrar har revolutionerat världen sedan 1960-talet och är nu oumbärliga verktyg för moderna applikationer, från banbrytande kirurgi och precisionstillverkning till fiberoptisk dataöverföring.
Men i takt med att efterfrågan på laserapplikationer ökar, ökar även utmaningarna. Till exempel finns det en växande marknad för fiberlasrar, som nu främst används för industriell skärning, svetsning och märkning.
Fiberlasrar använder optiska fibrer dopade med sällsynta jordartsmetaller (erbium, ytterbium, neodym, etc.) som den optiska förstärkningskällan (den del som producerar laserljuset). Fiberlasrar avger högkvalitativa strålar med hög uteffekt, hög effektivitet, lågt underhåll, hållbarhet och är vanligtvis mindre än gaslasrar. Fiberlasrar är också "guldstandarden" för lågfasbrus, vilket gör att deras strålar kan vara stabila under långa tidsperioder.
Trots detta finns det en växande efterfrågan på miniatyrisering av fiberlasrar i chipsskala. Erbiumbaserade fiberlasrar är av särskilt intresse eftersom de uppfyller alla krav för att hålla laserns koherens och stabilitet hög. Hur man bibehåller prestanda hos fiberlasrar i liten skala har dock varit en utmaning för miniatyriserade fiberlasrar.
Nu har forskare under ledning av Dr Yang Liu och Prof. Tobias Kippenberg vid EPFL tillverkat de första chipintegrerade erbiumdopade vågledarlasrarna med prestanda nära fiberlasrar, samtidigt som de kombinerar användbarheten av bred våglängdsavstämning och fotonik i chipskala integration. Studien publicerades i Nature Photonics.
Bygga lasrar i chip-skala
Forskarna utvecklade erbiumlasrar i chip-skala med hjälp av state-of-the-art tillverkningsprocesser. De konstruerade först en en meter lång optisk kavitet på chipet (en uppsättning speglar som ger optisk återkoppling) baserad på en fotonisk integrerad krets av kiselnitrid med ultralåg förlust.
Dr. Yang Liu sa, "Trots den kompakta chipstorleken kunde vi designa laserhåligheten så att den var en meter lång tack vare integrationen av dessa mikrovia-resonatorer, som effektivt förlänger den optiska vägen utan att fysiskt förstora enheten."
Teamet implanterade sedan en hög koncentration av erbiumjoner i kretsen för att selektivt generera det aktiva förstärkningsmediet som behövs för lasring. Slutligen integrerade de kretsen med en grupp III-V halvledarpumpad laser för att excitera erbiumjonerna för att avge ljus och producera en laserstråle.
För att förfina laserns prestanda och uppnå exakt våglängdskontroll, utvecklade forskarna en innovativ intrakavitetsdesign med ett mikroporöst Vernier-baserat filter, ett optiskt filter som gör det möjligt att välja en specifik optisk frekvens.
Detta filter tillåter dynamisk inställning av laservåglängden över ett brett spektrum av våglängder, vilket gör den mångsidig och lämplig för en mängd olika applikationer. Denna design stöder stabila enlägeslasrar med en imponerande smal intern linjebredd på endast 50 Hz.
Den har också betydande sidolägesdämpning, där lasern kan avge ljus vid en enda, stabil frekvens samtidigt som den minimerar intensiteten hos andra frekvenser ("sidolägen"). Detta säkerställer "ren" och stabil utsignal över hela spektralområdet för tillämpningar med hög precision.
Optisk bild av en hybrid integrerad laser baserad på en erbiumdopad fotonisk integrerad krets, som erbjuder koherensen hos en fiberlaser och tidigare ouppnåelig frekvensavstämning.
Kraft, precision, stabilitet och lågt brus
Erbiumfiberlasern i chipskala har en uteffekt på mer än 10 mW och ett sidolägesavvisningsförhållande på mer än 70 dB, vilket är överlägset många konventionella system.
Den har också en mycket smal linjebredd, vilket gör att ljuset den avger är mycket rent och stabilt, vilket är viktigt för sammanhängande applikationer som avkänning, gyroskop, LIDAR och optisk frekvensmetrologi.
Det mikrobländarbaserade Vernier-filtret tillåter lasern att ha en bred våglängdsavstämning på 40 nm i både C-bandet och L-bandet (våglängdsområdet som används för telekom), vilket överträffar konventionella fiberlasrar i både avstämning och låg spektral spik mått ("spikar" är oönskade frekvenser), samtidigt som de är kompatibla med nuvarande halvledartillverkningsprocesser förblir kompatibla.
Nästa generations laser
Miniatyrisering och integration av erbiumfiberlasrar i chip-skala enheter minskar deras totala kostnad, vilket gör att de kan användas i bärbara, högintegrerade system inom telekommunikation, medicinsk diagnostik och konsumentelektronik.
Den kan också minska optisk teknik för en mängd andra applikationer, såsom LIDAR, mikrovågsfotonik, optisk frekvenssyntes och kommunikation i fritt utrymme.
