A chip méretű lézerek helyettesíthetik a szálas lézereket?

A közelmúltban az École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) kutatói kifejlesztettek egy chipbe integrált, erbiummal adalékolt hullámvezető lézert, egy új típusú lézert, amelynek teljesítménye közel áll a szálas lézerekhez, és amely egyesíti a hangolhatóságot és a chip-méretű fotonikus integráció praktikusságát. .
Köztudott, hogy a szálas lézerek ritkaföldfémekkel adalékolt optikai szálakat használnak erősítő közegként. Ezért az olyan gázlézerekhez képest, mint a szén-dioxid, megvan a jó sugárminőség, a nagy teljesítmény, a nagy hatékonyság, a kis méret, valamint a szálkimenet és a rugalmas feldolgozóplatformok zökkenőmentes integrációja.
A chip-méretű szálas lézerek iránti kereslet kielégítése érdekében a kutatók az erbiumot választották erősítő közegként. Az erbium alapú szálas lézerek különösen ígéretesek, mert megfelelnek a magas koherencia és stabilitás követelményeinek. Az erbium alapú szálas lézerek miniatürizálását azonban régóta nehéz megvalósítani, mivel nehéz megőrizni egyedülálló nagy teljesítményüket.
Ebből a célból a kutatók először egy méter hosszú, chipen lévő optikai üreget építettek meg, amely ultraalacsony veszteségű szilícium-nitrid fotonikus integrált áramkörre épült. Yang Liu, az École Polytechnique Fédérale de Lausanne Fotonikai és Kvantummérési Laboratóriumának kutatója szerint: A kompakt chipméret ellenére ezeknek a mikroelemeknek köszönhetően a lézerüreget méteres hosszúságúra tudtuk megtervezni. -gyűrűs rezonátorok, amelyek hatékonyan kiterjesztik az optikai utat anélkül, hogy fizikai erősítő eszközökre lenne szükség.
Nagy áttörés! A chip méretű lézerek helyettesíthetik a szálas lézereket?
A csapat ezután nagy koncentrációjú erbium ionokat ültetett be az áramkörbe, hogy szelektíven állítsa elő a lézerezéshez szükséges aktív erősítő közeget. Végül III-V félvezető szivattyúlézerekkel integrálták az áramköröket az erbium ionok gerjesztésére, hogy fényt bocsáthassanak ki és lézersugarat állítsanak elő.
A lézer teljesítményének javítása és a precíz hullámhosszszabályozás lehetővé tétele érdekében a kutatók egy innovatív intracavity-konstrukciót dolgoztak ki, amely mikrogyűrűs nóniuszszűrőt tartalmaz, egy szűrőt, amely meghatározott frekvencián választja ki a fényt, hogy javítsa a lézer teljesítményét és lehetővé tegye a precíz hullámhossz-szabályozást.
A szűrő lehetővé teszi a 40 nm-es lézer hullámhosszának dinamikus hangolását mind a C-, mind az L-sávban, ami meghaladja a hagyományos szálas lézereket mind a hangolás, mind az alacsony spektrális hamis metrikák tekintetében, miközben fenntartja a kompatibilitást a jelenlegi félvezetőgyártási folyamatokkal. A kialakítás támogatja a stabil egymódusú lézerezést 50 Hz-es belső vonalszélességgel.
A 10 mW-ot meghaladó kimeneti teljesítménnyel és a 70 dB-nél nagyobb oldalsó üzemmód elutasítási arányával a chip-méretű erbium alapú szálas lézer sok hagyományos lézert felülmúl. Szűk vonalszélességük lehetővé teszi, hogy tiszta és stabil fényt bocsátanak ki, így ideálisak koherens alkalmazásokhoz, mint például érzékelés, giroszkóp, LIDAR és optikai frekvencia-metrológia.
Az erbiumszálas lézerek leépítése és chipméretű eszközökbe való integrálása megfizethetőbbé teheti azokat, új alkalmazásokat nyitva a nagymértékben integrált mobilrendszerek számára a fogyasztói elektronikában, az orvosi diagnosztikában és a távközlésben. Számos más alkalmazásban is csökkentheti az optikai technológiákat, beleértve a LIDAR-t, a mikrohullámú fotonikát, az optikai frekvenciaszintézist és a szabad térbeli kommunikációt.