Обзор Лазеры произвели революцию в мире с 1960-х годов и теперь являются незаменимым инструментом в современных приложениях, от передовой хирургии и точного производства до оптоволоконной передачи данных. Однако по мере роста спроса на лазерные приложения возникают и проблемы. Например, рынок волоконных лазеров расширяется, и в настоящее время они используются в основном для промышленной резки, сварки и маркировки. В волоконных лазерах в качестве оптической усиливающей среды используются оптические волокна, легированные редкоземельными элементами (эрбием, иттербием, неодимом и т. д.). Волоконные лазеры производят высококачественные лучи, имеют высокую выходную мощность, высокую эффективность, низкие затраты на техническое обслуживание и долговечность и, как правило, меньше, чем газовые лазеры. Волоконные лазеры также являются «золотым стандартом» низкого фазового шума, а это означает, что их лучи могут оставаться стабильными в течение длительного времени. Несмотря на это, существует растущий спрос на миниатюризацию волоконных лазеров размером с кристалл. Волоконные лазеры на основе эрбия представляют особый интерес, поскольку отвечают всем требованиям по поддержанию высокой когерентности и стабильности лазера. Однако сохранение производительности волоконных лазеров в небольших масштабах всегда было проблемой при миниатюризации волоконных лазеров.
Теперь группа ученых во главе с доктором Ян Лю и профессором Тобиасом Киппенбергом из EPFL создала первый встроенный в чип волноводный лазер, легированный эрбием, который приближается по производительности к волоконным лазерам, сочетая при этом широкую перестраиваемую длину волны с практичностью фотонной технологии в масштабе чипа. интеграция. Исследование было опубликовано в журнале Nature Photonics.
Изображение полностью укомплектованного гибридного интегрированного эрбиевого лазера на основе интегрированного фотонного чипа из нитрида кремния, который обеспечивает когерентность волоконного лазера и ранее недостижимую перестройку частоты. Источник: Андреа Банкора и Ян Лю (EPFL).
Изготовление чип-лазера
Исследователи разработали эрбиевый лазер размером с чип, используя самые современные производственные процессы. Сначала они построили встроенный оптический резонатор длиной один метр (набор зеркал, обеспечивающих оптическую обратную связь) на интегрированном фотонном чипе из нитрида кремния со сверхмалыми потерями. «Несмотря на небольшой размер чипа, мы смогли спроектировать лазерный резонатор длиной в один метр благодаря интеграции этих резонаторов с микроотверстиями, которые эффективно расширяют оптический путь без физического увеличения устройства», — сказал доктор. Ян Лю. Затем команда имплантировала в чип высокую концентрацию ионов эрбия, чтобы выборочно создать активную усиливающую среду, необходимую для лазерной генерации. Наконец, они интегрировали схему с полупроводниковым лазером накачки III-V, чтобы возбуждать ионы эрбия, заставляя их излучать свет и создавать лазерный луч.
Рисунок 1: Гибридный интегрированный лазер Er:Si3N4. Источник: Ян Лю, Жеру Цю, Синьру Цзи и др., «Полностью гибридный интегрированный лазер на основе эрбия», Nature Photonics (2024). Чтобы улучшить характеристики лазера и обеспечить точный контроль длины волны, исследователи разработали инновационную внутрирезонаторную конструкцию с использованием нониусного фильтра на основе микропор — оптического фильтра, способного выбирать определенные частоты света. Этот фильтр может динамически регулировать длину волны лазера в широком диапазоне, что делает его универсальным и подходящим для различных применений. Эта конструкция поддерживает стабильные одномодовые лазеры с собственной шириной линии всего 50 Гц.
Он также имеет значительное подавление побочных мод — лазер способен излучать свет на одной стабильной частоте, минимизируя при этом интенсивность других частот («боковые моды»). Это обеспечивает «чистый» и стабильный выходной сигнал во всем спектральном диапазоне для высокоточных приложений.
Рисунок 2: Гибридный интегрированный лазер Er:Si3N4, работающий в одномодовом режиме. Источник: Ян Лю, Жеру Цю, Синьру Цзи и др., «Полностью гибридный интегрированный лазер на основе эрбия», Nature Photonics (2024). Мощность, точность, стабильность и низкий уровень шума. Эрбиевый волоконный лазер размером с кристалл имеет выходную мощность более 10 мВт и коэффициент подавления боковой моды более 70 дБ, что лучше, чем у многих традиционных систем. Он также имеет очень узкую ширину линии, что означает, что излучаемый им свет очень чистый и стабильный, что важно для когерентных приложений, таких как зондирование, гироскопы, лидары и метрология оптических частот. Вернье-фильтр на основе микроотверстий обеспечивает возможность настройки длины волны лазера в диапазоне 40 нм в C-диапазоне и L-диапазоне (диапазон длин волн, используемый для телекоммуникаций), превосходя обычные волоконные лазеры по настройке и низким спектральным выбросам («шпоры» - это нежелательные частоты). ), оставаясь при этом совместимым с текущими процессами производства полупроводников.
Рисунок 3: Демонстрация широкополосной настройки длины волны лазера. Источник: Ян Лю, Жеру Цю, Синьру Цзи и др., «Полностью гибридный интегрированный лазер на основе эрбия», Nature Photonics (2024). Лазеры нового поколения
Миниатюризация и интеграция эрбиевых волоконных лазеров в устройства размером с чип может снизить их общую стоимость, что сделает их полезными для портативных, высокоинтегрированных систем в сфере телекоммуникаций, медицинской диагностики и бытовой электроники.
Рисунок 4: Полностью гибридная интегрированная характеристика лазерного шума и EDWL. Источник: Ян Лю, Жеру Цю, Синьру Цзи и др., «Полностью гибридный интегрированный лазер на основе эрбия», Nature Photonics (2024). Он также может сократить масштабы использования оптических технологий для множества других приложений, таких как лидар, микроволновая фотоника, синтез оптических частот и связь в свободном пространстве. говорит д-р Ян Лю: «Области применения этого нового интегрированного лазера, легированного эрбием, практически безграничны».
