Áttekintés A lézerek az 1960-as évek óta forradalmasították a világot, és ma már nélkülözhetetlen eszközt jelentenek a modern alkalmazásokban, a legmodernebb sebészettől és precíziós gyártástól a száloptikai adatátvitelig. A lézeres alkalmazások iránti kereslet növekedésével azonban kihívások is felmerülnek. Például a szálas lézerek piaca bővül, jelenleg főleg ipari vágási, hegesztési és jelölési alkalmazásokban használják őket. A szálas lézerek ritkaföldfém elemekkel (erbium, itterbium, neodímium stb.) adalékolt optikai szálakat használnak optikai erősítő közegként. A szálas lézerek kiváló minőségű sugarakat, nagy kimeneti teljesítményt, nagy hatékonyságot, alacsony karbantartási költségeket és tartósságot biztosítanak, és általában kisebbek, mint a gázlézerek. A szálas lézerek az alacsony fáziszaj "arany standardja" is, ami azt jelenti, hogy sugaraik hosszú ideig stabilak maradhatnak. Ennek ellenére egyre nagyobb az igény a chip-méretű szálas lézerek miniatürizálására. Az erbium alapú szálas lézerek különösen érdekesek, mert megfelelnek a lézer magas koherenciájának és stabilitásának fenntartásához szükséges összes követelménynek. A szálas lézerek teljesítményének kis léptékben történő fenntartása azonban mindig is kihívást jelentett a szálas lézerek miniatürizálása számára.
Dr. Yang Liu és Tobias Kippenberg professzor vezette tudóscsoport az EPFL-nél megalkotta az első chipbe integrált, erbiummal adalékolt hullámvezető lézert, amely megközelíti a szálas lézerek teljesítményét, miközben a széles hullámhossz hangolhatóságát a chip-méretű fotonika praktikusságával kombinálja. integráció. A tanulmány a Nature Photonics folyóiratban jelent meg.
Szilícium-nitrid fotonikus integrált chipen alapuló, teljesen csomagolt hibrid integrált erbiumlézer képe, amely szálas lézer koherenciát és korábban elérhetetlen frekvencia hangolhatóságot biztosít. Forrás: Andrea Bancora és Yang Liu (EPFL).
Chipléptékű lézer gyártása
A kutatók a legkorszerűbb gyártási eljárások segítségével chipméretű erbiumlézert fejlesztettek ki. Először egy egy méter hosszú optikai üreget (optikai visszacsatolást biztosító tükrök) építettek egy ultraalacsony veszteségű szilícium-nitrid fotonikus integrált chipre. "A chip kis mérete ellenére a lézerüreget egy méter hosszúra tudtuk megtervezni, köszönhetően ezeknek a mikrolyuk rezonátoroknak az integrálásának, amelyek hatékonyan kiterjesztik az optikai utat anélkül, hogy fizikailag megnövelnék az eszközt" - mondta dr. Yang Liu. A csapat ezután nagy koncentrációjú erbium ionokat ültetett be a chipbe, hogy szelektíven állítsa elő a lézerezéshez szükséges aktív erősítő közeget. Végül integrálták az áramkört egy III-V félvezető pumpás lézerrel, hogy gerjesztették az erbium ionokat, ami fényt bocsát ki és lézersugarat hoz létre.
1. ábra: Hibrid integrált Er:Si3N4 lézer. Forrás: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al., "A teljesen hibrid integrált erbium alapú lézer", Nature Photonics (2024). A lézer teljesítményének finomítása és a precíz hullámhossz-szabályozás érdekében a kutatók egy innovatív intracavity tervezést dolgoztak ki mikropórus alapú Vernier szűrő segítségével, amely optikai szűrő képes meghatározott fényfrekvenciák kiválasztására. Ez a szűrő képes dinamikusan beállítani a lézer hullámhosszát széles tartományban, így sokoldalú és sokféle alkalmazásra alkalmas. Ez a kialakítás támogatja a stabil egymódusú lézereket, amelyek belső vonalszélessége mindössze 50 Hz.
Jelentős oldalmód-elnyomással is rendelkezik - a lézer egyetlen, stabil frekvencián képes fényt kibocsátani, miközben minimálisra csökkenti a többi frekvencia intenzitását ("oldalmódok"). Ez "tiszta" és stabil kimenetet biztosít a teljes spektrális tartományban a nagy pontosságú alkalmazásokhoz.
2. ábra: Hibrid integrált Er:Si3N4vernier lézer, amely egymódusú lézerezésben működik. Forrás: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al., "A teljesen hibrid integrált erbium alapú lézer", Nature Photonics (2024). Teljesítmény, pontosság, stabilitás és alacsony zajszint A forgácsméretű erbiumszálas lézer kimeneti teljesítménye meghaladja a 10 mW-ot, az oldalsó üzemmódú elnyomási aránya pedig több mint 70 dB, ami jobb, mint sok hagyományos rendszer. Ezenkívül nagyon szűk vonalszélességgel rendelkezik, ami azt jelenti, hogy az általa kibocsátott fény nagyon tiszta és stabil, ami fontos az olyan koherens alkalmazásokhoz, mint például az érzékelés, a giroszkóp, a lidar és az optikai frekvencia-metrológia. A mikrolyuk alapú Vernier szűrő a lézer széles, 40 nm-es hullámhossz hangolhatóságát biztosítja a C- és L-sávban (a távközlési hullámhossz-tartományban), felülmúlva a hagyományos szálas lézereket a hangolásban és az alacsony spektrumú spur-okat (a "spurs" nem kívánt frekvenciák). ), miközben kompatibilis marad a jelenlegi félvezetőgyártási folyamatokkal.
3. ábra: A lézer hullámhosszának szélessávú hangolásának bemutatása. Forrás: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji és munkatársai, "A teljesen hibrid integrált erbium alapú lézer", Nature Photonics (2024). Új generációs lézerek
Az erbiumszálas lézerek miniatürizálása és chipméretű eszközökbe történő integrálása csökkentheti azok összköltségét, így hasznosak lehetnek hordozható, magasan integrált távközlési, orvosi diagnosztikai és fogyasztói elektronikai rendszerekben.
4. ábra: Teljesen hibrid integrált lézerzaj jellemzés és EDWL. Forrás: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji és munkatársai, "A teljesen hibrid integrált erbium alapú lézer", Nature Photonics (2024). Az optikai technológiát számos más alkalmazáshoz is csökkentheti, mint például a LIDAR, a mikrohullámú fotonika, az optikai frekvenciaszintézis és a szabad térbeli kommunikáció. Dr. Yang Liu mondja: "Ennek az új, erbiummal adalékolt integrált lézernek az alkalmazási területei gyakorlatilag korlátlanok."
