Επισκόπηση Τα λέιζερ έχουν φέρει επανάσταση στον κόσμο από τη δεκαετία του 1960 και αποτελούν πλέον απαραίτητο εργαλείο στις σύγχρονες εφαρμογές, από χειρουργικές επεμβάσεις αιχμής και κατασκευή ακριβείας έως τη μετάδοση δεδομένων με οπτικές ίνες. Ωστόσο, καθώς η ζήτηση για εφαρμογές λέιζερ αυξάνεται, προκύπτουν και προκλήσεις. Για παράδειγμα, η αγορά των λέιζερ ινών επεκτείνεται και επί του παρόντος χρησιμοποιούνται κυρίως σε βιομηχανικές εφαρμογές κοπής, συγκόλλησης και σήμανσης. Τα λέιζερ ινών χρησιμοποιούν οπτικές ίνες εμποτισμένες με στοιχεία σπάνιων γαιών (έρβιο, υττέρβιο, νεοδύμιο κ.λπ.) ως μέσο οπτικού κέρδους. Τα λέιζερ ινών παράγουν δέσμες υψηλής ποιότητας, υψηλή ισχύ εξόδου, υψηλή απόδοση, χαμηλό κόστος συντήρησης και ανθεκτικότητα και είναι γενικά μικρότερα από τα λέιζερ αερίου. Τα λέιζερ ινών είναι επίσης το «χρυσό πρότυπο» για το χαμηλό θόρυβο φάσης, πράγμα που σημαίνει ότι οι δέσμες τους μπορούν να παραμείνουν σταθερές για μεγάλο χρονικό διάστημα. Παρόλα αυτά, υπάρχει μια αυξανόμενη ζήτηση για σμίκρυνση λέιζερ ινών σε κλίμακα τσιπ. Τα λέιζερ ινών με βάση το έρβιο παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον γιατί πληρούν όλες τις απαιτήσεις για τη διατήρηση της υψηλής συνοχής και σταθερότητας του λέιζερ. Ωστόσο, ο τρόπος διατήρησης της απόδοσης των λέιζερ ινών σε μικρή κλίμακα ήταν πάντα μια πρόκληση για τη σμίκρυνση των λέιζερ ινών.
Τώρα, μια ομάδα επιστημόνων με επικεφαλής τον Δρ Yang Liu και τον καθηγητή Tobias Kippenberg στο EPFL δημιούργησε το πρώτο λέιζερ κυματοδηγού με ενσωματωμένο έρβιο που προσεγγίζει την απόδοση των λέιζερ ινών ενώ συνδυάζει τη δυνατότητα συντονισμού ευρέος μήκους κύματος με την πρακτικότητα της φωτονικής κλίμακας τσιπ ενσωμάτωση. Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο Nature Photonics.
Εικόνα ενός πλήρως συσκευασμένου υβριδικού ενσωματωμένου λέιζερ ερβίου που βασίζεται σε ένα φωτονικό ολοκληρωμένο τσιπ νιτριδίου πυριτίου, το οποίο παρέχει συνοχή λέιζερ ινών και δυνατότητα συντονισμού συχνότητας που δεν ήταν εφικτή στο παρελθόν. Πηγή: Andrea Bancora and Yang Liu (EPFL).
Κατασκευή λέιζερ κλίμακας τσιπ
Οι ερευνητές ανέπτυξαν ένα λέιζερ ερβίου σε κλίμακα τσιπ χρησιμοποιώντας διαδικασίες κατασκευής αιχμής. Κατασκεύασαν αρχικά μια οπτική κοιλότητα στο τσιπ μήκους ενός μέτρου (ένα σύνολο κατόπτρων που παρέχουν οπτική ανάδραση) σε ένα φωτονικό ολοκληρωμένο τσιπ νιτριδίου του πυριτίου εξαιρετικά χαμηλών απωλειών. «Παρά το μικρό μέγεθος του τσιπ, καταφέραμε να σχεδιάσουμε την κοιλότητα του λέιζερ ώστε να έχει μήκος ένα μέτρο, χάρη στην ενσωμάτωση αυτών των συντονιστών μικροοπών, που επεκτείνουν αποτελεσματικά την οπτική διαδρομή χωρίς να μεγεθύνουν φυσικά τη συσκευή», είπε ο Δρ. Γιανγκ Λιου. Στη συνέχεια, η ομάδα εμφύτευσε μια υψηλή συγκέντρωση ιόντων ερβίου στο τσιπ για να παράγει επιλεκτικά το ενεργό μέσο κέρδους που απαιτείται για το lasing. Τέλος, ενσωμάτωσαν το κύκλωμα με ένα λέιζερ αντλίας ημιαγωγών III-V για να διεγείρουν τα ιόντα ερβίου, προκαλώντας τους να εκπέμπουν φως και να παράγουν δέσμη λέιζερ.
Εικόνα 1: Υβριδικό ενσωματωμένο λέιζερ Er:Si3N4. Πηγή: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al., "A fully hybrid integrated erbium-based laser", Nature Photonics (2024). Για να βελτιώσουν την απόδοση του λέιζερ και να επιτρέψουν τον ακριβή έλεγχο του μήκους κύματος, οι ερευνητές επινόησαν έναν καινοτόμο σχεδιασμό ενδοκοιλότητας χρησιμοποιώντας ένα φίλτρο Vernier με βάση μικροπόρους, ένα οπτικό φίλτρο ικανό να επιλέγει συγκεκριμένες συχνότητες φωτός. Αυτό το φίλτρο μπορεί να ρυθμίσει δυναμικά το μήκος κύματος του λέιζερ σε ένα ευρύ φάσμα, καθιστώντας το ευέλικτο και κατάλληλο για μια ποικιλία εφαρμογών. Αυτός ο σχεδιασμός υποστηρίζει σταθερά λέιζερ απλής λειτουργίας με εγγενές εύρος γραμμής μόνο 50 Hz.
Έχει επίσης σημαντική καταστολή πλευρικής λειτουργίας - το λέιζερ είναι σε θέση να εκπέμπει φως σε μια ενιαία, σταθερή συχνότητα, ενώ ελαχιστοποιεί την ένταση άλλων συχνοτήτων ("πλευρικές λειτουργίες"). Αυτό εξασφαλίζει "καθαρή" και σταθερή έξοδο σε όλο το φασματικό εύρος για εφαρμογές υψηλής ακρίβειας.
Εικόνα 2: Υβριδικό ενσωματωμένο λέιζερ Er:Si3N4vernier που λειτουργεί σε λέιζινγκ απλής λειτουργίας. Πηγή: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al., "A fully hybrid integrated erbium-based laser," Nature Photonics (2024). Ισχύς, ακρίβεια, σταθερότητα και χαμηλός θόρυβος Το λέιζερ ινών ερβίου σε κλίμακα τσιπ έχει ισχύ εξόδου μεγαλύτερη από 10 mW και λόγο καταστολής πλευρικής λειτουργίας άνω των 70 dB, που είναι καλύτερο από πολλά συμβατικά συστήματα. Έχει επίσης πολύ στενό πλάτος γραμμής, που σημαίνει ότι το φως που εκπέμπει είναι πολύ καθαρό και σταθερό, κάτι που είναι σημαντικό για συνεκτικές εφαρμογές όπως η αίσθηση, τα γυροσκόπια, το lidar και η μετρολογία οπτικών συχνοτήτων. Το φίλτρο Vernier που βασίζεται σε μικροτρύπες παρέχει στο λέιζερ δυνατότητα συντονισμού ευρείας μήκους κύματος 40 nm στη ζώνη C και στη ζώνη L (το εύρος μήκους κύματος που χρησιμοποιείται για τηλεπικοινωνίες), ξεπερνώντας τα συμβατικά λέιζερ ινών στον συντονισμό και τα χαμηλά φασματικά σπιρούνια ("spurs" είναι ανεπιθύμητες συχνότητες ) ενώ παραμένει συμβατό με τις τρέχουσες διαδικασίες κατασκευής ημιαγωγών.
Εικόνα 3: Επίδειξη ευρυζωνικού συντονισμού μήκους κύματος λέιζερ. Πηγή: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji, et al., "A fully hybrid integrated erbium-based laser," Nature Photonics (2024). Λέιζερ επόμενης γενιάς
Η σμίκρυνση και η ενσωμάτωση λέιζερ ινών ερβίου σε συσκευές κλίμακας τσιπ θα μπορούσε να μειώσει το συνολικό τους κόστος, καθιστώντας τα χρήσιμα για φορητά, εξαιρετικά ολοκληρωμένα συστήματα στις τηλεπικοινωνίες, τα ιατρικά διαγνωστικά και τα ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης.
Εικόνα 4: Πλήρως υβριδικός ενσωματωμένος χαρακτηρισμός θορύβου λέιζερ και EDWL. Πηγή: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al, "A fully hybrid integrated erbium-based laser," Nature Photonics (2024). Θα μπορούσε επίσης να μειώσει την οπτική τεχνολογία για μια ποικιλία άλλων εφαρμογών, όπως το LIDAR, η φωτονική μικροκυμάτων, η σύνθεση οπτικών συχνοτήτων και οι επικοινωνίες ελεύθερου χώρου. λέει ο Δρ Yang Liu, "Οι περιοχές εφαρμογής για αυτό το νέο ολοκληρωμένο λέιζερ με πρόσμειξη ερβίου είναι σχεδόν απεριόριστες."
