Els làsers han revolucionat el món des dels anys 60 i ara són eines indispensables per a aplicacions modernes que van des de la cirurgia d'avantguarda i la fabricació de precisió fins a la transmissió de dades per fibra òptica.
Però a mesura que la demanda d'aplicacions làser creix, també ho fan els reptes. Per exemple, hi ha un mercat creixent de làsers de fibra, que ara s'utilitzen principalment en aplicacions de tall, soldadura i marcatge industrials.
Els làsers de fibra utilitzen fibres òptiques dopades amb elements de terres rares (erbi, iterbi, neodimi, etc.) com a font de guany òptica (la part que produeix la llum làser). Els làsers de fibra emeten feixos d'alta qualitat amb gran potència de sortida, alta eficiència, baix manteniment, durabilitat i solen ser més petits que els làsers de gas. Els làsers de fibra també són el "estàndard d'or" per a un soroll de fase baix, el que significa que els seus feixos poden ser estables durant llargs períodes de temps.
Malgrat això, hi ha una demanda creixent de miniaturització de làsers de fibra a escala de xip. Els làsers de fibra basats en erbi són d'especial interès perquè compleixen tots els requisits per mantenir alta la coherència i l'estabilitat del làser. Tanmateix, com mantenir el rendiment dels làsers de fibra a petites escales ha estat un repte per als làsers de fibra miniaturitzats.
Ara, els científics dirigits pel Dr. Yang Liu i el Prof. Tobias Kippenberg de l'EPFL han fabricat els primers làsers de guia d'ona dopats amb erbi integrats amb xips amb un rendiment proper al dels làsers de fibra, alhora que combinen la utilitat de la sintonització de la longitud d'ona àmplia i la fotònica a escala de xip. integració. L'estudi es va publicar a Nature Photonics.
Construcció de làsers a escala de xips
Els investigadors van desenvolupar làsers d'erbi a escala de xips mitjançant processos de fabricació d'última generació. Primer van construir una cavitat òptica en xip d'un metre de llargada (un conjunt de miralls que proporcionen retroalimentació òptica) basada en un circuit integrat fotònic de nitrur de silici de pèrdues ultra baixes.
El doctor Yang Liu va dir: "Malgrat la mida compacta del xip, vam poder dissenyar la cavitat làser perquè tingués un metre de llargada gràcies a la integració d'aquests ressonadors de microvia, que estenen eficaçment el camí òptic sense augmentar físicament el dispositiu".
A continuació, l'equip va implantar una alta concentració d'ions d'erbi al circuit per generar selectivament el medi de guany actiu necessari per al làser. Finalment, van integrar el circuit amb un làser bombat per semiconductors del Grup III-V per excitar els ions d'erbi per emetre llum i produir un feix làser.
Per refinar el rendiment del làser i aconseguir un control precís de la longitud d'ona, els investigadors van idear un innovador disseny intracavitat que inclou un filtre microporós basat en Vernier, un filtre òptic que permet la selecció d'una freqüència òptica específica.
Aquest filtre permet l'ajust dinàmic de la longitud d'ona del làser en una àmplia gamma de longituds d'ona, fent-lo versàtil i adequat per a una gran varietat d'aplicacions. Aquest disseny admet làsers monomode estables amb una amplada de línia interna impressionantment estreta de només 50 Hz.
També inclou una supressió de mode lateral important, on el làser és capaç d'emetre llum a una freqüència única i estable alhora que minimitza la intensitat d'altres freqüències ("modes laterals"). Això garanteix una sortida "neta" i estable a tot el rang espectral per a aplicacions d'alta precisió.
Imatge òptica d'un làser integrat híbrid basat en un circuit integrat fotònic dopat amb erbi, que ofereix la coherència d'un làser de fibra i una sintonització de freqüència abans inabastable.
Potència, precisió, estabilitat i baix soroll
El làser de fibra d'erbi a escala de xip té una potència de sortida de més de 10 mW i una relació de rebuig en mode lateral de més de 70 dB, que és superior a molts sistemes convencionals.
També té una amplada de línia molt estreta, la qual cosa significa que la llum que emet és molt pura i estable, la qual cosa és important per a aplicacions coherents com ara sensors, giroscopis, LIDAR i metrologia de freqüència òptica.
El filtre Vernier basat en micro-obertura permet que el làser tingui una àmplia sintonització de longitud d'ona de 40 nm tant a la banda C com a la banda L (el rang de longitud d'ona utilitzat per a les telecomunicacions), superant els làsers de fibra convencionals tant en sintonització com en punta espectral baixa. les mètriques ("punts" són freqüències no desitjades), alhora que són compatibles amb els processos actuals de fabricació de semiconductors.
Làser de nova generació
Miniaturitzar i integrar làsers de fibra d'erbi en dispositius a escala de xip redueix el seu cost global, cosa que els permet utilitzar-los en sistemes portàtils altament integrats en telecomunicacions, diagnòstic mèdic i electrònica de consum.
També pot reduir la mida de la tecnologia òptica per a una varietat d'altres aplicacions, com ara LIDAR, fotònica de microones, síntesi de freqüència òptica i comunicacions en espai lliure.
