Τα λέιζερ μεγέθους τσιπ μπορούν να αντικαταστήσουν τα λέιζερ ινών;

Πρόσφατα, ερευνητές από την École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) ανέπτυξαν ένα λέιζερ κυματοδηγού ενσωματωμένο σε έρβιο, έναν νέο τύπο λέιζερ του οποίου η απόδοση είναι κοντά σε αυτή των λέιζερ ινών, συνδυάζοντας τη δυνατότητα συντονισμού και την πρακτικότητα της φωτονικής ολοκλήρωσης σε κλίμακα τσιπ. .
Είναι ευρέως γνωστό ότι τα λέιζερ ινών χρησιμοποιούν ως μέσο κέρδους οπτικές ίνες εμποτισμένες με στοιχεία σπάνιων γαιών. Επομένως, σε σύγκριση με τα λέιζερ αερίου όπως το διοξείδιο του άνθρακα, έχουν τα πλεονεκτήματα της υψηλής ποιότητας δέσμης, της υψηλής ισχύος, της υψηλής απόδοσης, του μικρού μεγέθους και της απρόσκοπτης ενσωμάτωσης της παραγωγής ινών και των ευέλικτων πλατφορμών επεξεργασίας.
Και για να καλύψουν τη ζήτηση για λέιζερ ινών κλίμακας τσιπ, οι ερευνητές στράφηκαν στο έρβιο ως μέσο κέρδους. Τα λέιζερ ινών με βάση το έρβιο είναι ιδιαίτερα υποσχόμενα επειδή πληρούν τις απαιτήσεις διατήρησης υψηλής συνοχής και σταθερότητας. Ωστόσο, η σμίκρυνση των λέιζερ ινών με βάση το έρβιο ήταν από καιρό δύσκολο να επιτευχθεί λόγω της δυσκολίας διατήρησης της μοναδικής υψηλής απόδοσης τους.
Για το σκοπό αυτό, οι ερευνητές κατασκεύασαν αρχικά μια οπτική κοιλότητα στο τσιπ μήκους ενός μέτρου που βασίζεται σε ένα φωτονικό ολοκληρωμένο κύκλωμα νιτριδίου του πυριτίου εξαιρετικά χαμηλών απωλειών. Σύμφωνα με τον Yang Liu, ερευνητή στο Εργαστήριο Φωτονικής και Κβαντικών Μετρήσεων στην École Polytechnique Fédérale de Lausanne: Παρά το συμπαγές μέγεθος τσιπ, μπορέσαμε να σχεδιάσουμε την κοιλότητα του λέιζερ σε μήκος μέτρου, χάρη στην ενσωμάτωση αυτών των μικροσκοπικών - συντονιστές δακτυλίου, που επεκτείνουν αποτελεσματικά την οπτική διαδρομή χωρίς την ανάγκη φυσικών συσκευών ενισχυτή.
Σημαντική ανακάλυψη! Τα λέιζερ μεγέθους τσιπ μπορούν να αντικαταστήσουν τα λέιζερ ινών;
Στη συνέχεια, η ομάδα εμφύτευσε μια υψηλή συγκέντρωση ιόντων ερβίου στο κύκλωμα για να δημιουργήσει επιλεκτικά το ενεργό μέσο κέρδους που απαιτείται για το lasing. Τέλος, ενσωμάτωσαν τα κυκλώματα με λέιζερ αντλιών ημιαγωγών III-V για να διεγείρουν τα ιόντα ερβίου, ώστε να μπορούν να εκπέμπουν φως και να παράγουν δέσμη λέιζερ.
Για να βελτιώσουν την απόδοση του λέιζερ και να επιτρέψουν τον ακριβή έλεγχο του μήκους κύματος, οι ερευνητές επινόησαν έναν καινοτόμο σχεδιασμό ενδοκοιλότητας που διαθέτει ένα φίλτρο βερνιέ με βάση μικροδακτυλίους, ένα φίλτρο που επιλέγει το φως σε μια συγκεκριμένη συχνότητα για να βελτιώσει την απόδοση του λέιζερ και να επιτρέπει τον ακριβή έλεγχο του μήκους κύματος.
Το φίλτρο επιτρέπει δυναμικό συντονισμό του μήκους κύματος λέιζερ 40 nm και στις δύο ζώνες C- και L, το οποίο υπερβαίνει τα συμβατικά λέιζερ ινών τόσο σε συντονισμό όσο και σε ψευδείς μετρήσεις χαμηλού φάσματος, ενώ διατηρεί τη συμβατότητα με τις τρέχουσες διαδικασίες κατασκευής ημιαγωγών. Ο σχεδιασμός υποστηρίζει σταθερό lasing single-mode με εγγενές εύρος γραμμής 50 Hz.
Με ισχύ εξόδου άνω των 10 mW και λόγο απόρριψης πλευρικής λειτουργίας μεγαλύτερη από 70 dB, το λέιζερ ινών ερβίου κλίμακας τσιπ ξεπερνά πολλά συμβατικά λέιζερ. Το στενό πλάτος γραμμής τους επιτρέπει να εκπέμπουν καθαρό και σταθερό φως, καθιστώντας τα ιδανικά για συνεκτικές εφαρμογές όπως ανίχνευση, γυροσκόπια, LIDAR και μετρολογία οπτικών συχνοτήτων.
Η μείωση του μεγέθους και η ενσωμάτωση λέιζερ ινών ερβίου σε συσκευές κλίμακας τσιπ μπορεί να τα καταστήσει πιο προσιτά, ανοίγοντας νέες εφαρμογές για εξαιρετικά ενσωματωμένα κινητά συστήματα σε ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης, ιατρικά διαγνωστικά και τηλεπικοινωνίες. Θα μπορούσε επίσης να συρρικνώσει τις οπτικές τεχνολογίες σε πολλές άλλες εφαρμογές, όπως το LIDAR, η φωτονική μικροκυμάτων, η σύνθεση οπτικών συχνοτήτων και οι επικοινωνίες ελεύθερου χώρου.