Visão geral Os lasers revolucionaram o mundo desde a década de 1960 e são agora uma ferramenta indispensável em aplicações modernas, desde cirurgias de ponta e fabricação de precisão até transmissão de dados por fibra óptica. No entanto, à medida que cresce a procura por aplicações de laser, também surgem desafios. Por exemplo, o mercado de lasers de fibra está em expansão e atualmente eles são usados principalmente em aplicações industriais de corte, soldagem e marcação. Os lasers de fibra usam fibras ópticas dopadas com elementos de terras raras (érbio, itérbio, neodímio, etc.) como meio de ganho óptico. Os lasers de fibra produzem feixes de alta qualidade, alta potência de saída, alta eficiência, baixos custos de manutenção e durabilidade, e geralmente são menores que os lasers a gás. Os lasers de fibra também são o “padrão ouro” para baixo ruído de fase, o que significa que seus feixes podem permanecer estáveis por muito tempo. Apesar disso, há uma demanda crescente por miniaturização de lasers de fibra em escala de chip. Os lasers de fibra à base de érbio são de particular interesse porque atendem a todos os requisitos para manter a alta coerência e estabilidade do laser. No entanto, como manter o desempenho dos lasers de fibra em pequena escala sempre foi um desafio para a miniaturização de lasers de fibra.
Agora, uma equipe de cientistas liderada pelo Dr. integração. O estudo foi publicado na Nature Photonics.
Imagem de um laser de érbio híbrido totalmente integrado baseado em um chip fotônico integrado de nitreto de silício, que fornece coerência do laser de fibra e ajuste de frequência anteriormente inatingível. Fonte: Andrea Bancora e Yang Liu (EPFL).
Fabricando um laser em escala de chip
Os pesquisadores desenvolveram um laser de érbio em escala de chip usando processos de fabricação de última geração. Eles primeiro construíram uma cavidade óptica no chip de um metro de comprimento (um conjunto de espelhos que fornecem feedback óptico) em um chip fotônico integrado de nitreto de silício de perda ultrabaixa. “Apesar do pequeno tamanho do chip, conseguimos projetar a cavidade do laser para ter um metro de comprimento, graças à integração desses ressonadores de microfuros, que efetivamente estendem o caminho óptico sem ampliar fisicamente o dispositivo”, disse o Dr. Yang Liu. A equipe então implantou uma alta concentração de íons de érbio no chip para produzir seletivamente o meio de ganho ativo necessário para o laser. Por fim, eles integraram o circuito com uma bomba laser semicondutora III-V para excitar os íons de érbio, fazendo-os emitir luz e produzir um feixe de laser.
Figura 1: Laser Er:Si3N4 integrado híbrido. Fonte: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al., "Um laser baseado em érbio integrado totalmente híbrido", Nature Photonics (2024). Para refinar o desempenho do laser e permitir o controle preciso do comprimento de onda, os pesquisadores desenvolveram um design intracavitário inovador usando um filtro Vernier baseado em microporos, um filtro óptico capaz de selecionar frequências de luz específicas. Este filtro pode ajustar dinamicamente o comprimento de onda do laser em uma ampla faixa, tornando-o versátil e adequado para uma variedade de aplicações. Este design suporta lasers monomodo estáveis com uma largura de linha intrínseca de apenas 50 Hz.
Ele também possui supressão de modo lateral significativa - o laser é capaz de emitir luz em uma frequência única e estável enquanto minimiza a intensidade de outras frequências ("modos laterais"). Isso garante uma saída "limpa" e estável em toda a faixa espectral para aplicações de alta precisão.
Figura 2: Laser Er:Si3N4vernier integrado híbrido operando em laser monomodo. Fonte: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al., "Um laser baseado em érbio integrado totalmente híbrido", Nature Photonics (2024). Potência, precisão, estabilidade e baixo ruído O laser de fibra de érbio em escala de chip tem uma potência de saída de mais de 10 mW e uma taxa de supressão de modo lateral de mais de 70 dB, o que é melhor do que muitos sistemas convencionais. Ele também possui uma largura de linha muito estreita, o que significa que a luz que emite é muito pura e estável, o que é importante para aplicações coerentes, como detecção, giroscópios, lidar e metrologia de frequência óptica. O filtro Vernier baseado em microfuros fornece ao laser ajuste de comprimento de onda amplo de 40 nm na banda C e banda L (a faixa de comprimento de onda usada para telecomunicações), superando os lasers de fibra convencionais em sintonia e estímulos espectrais baixos ("esporas" são frequências indesejadas ), permanecendo compatível com os processos atuais de fabricação de semicondutores.
Figura 3: Demonstração do ajuste de banda larga do comprimento de onda do laser. Fonte: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji, et al., "Um laser baseado em érbio integrado totalmente híbrido", Nature Photonics (2024). Lasers de última geração
Miniaturizar e integrar lasers de fibra de érbio em dispositivos em escala de chip poderia reduzir seu custo geral, tornando-os úteis para sistemas portáteis e altamente integrados em telecomunicações, diagnósticos médicos e eletrônicos de consumo.
Figura 4: Caracterização de ruído de laser integrada totalmente híbrida e EDWL. Fonte: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al, "Um laser baseado em érbio integrado totalmente híbrido", Nature Photonics (2024). Também poderia reduzir a tecnologia óptica para uma variedade de outras aplicações, como LIDAR, fotônica de microondas, síntese de frequência óptica e comunicações em espaço livre. diz o Dr. Yang Liu, "As áreas de aplicação deste novo laser integrado dopado com érbio são virtualmente ilimitadas."
