Könnten chipgroße Laser Faserlaser ersetzen?

Kürzlich entwickelten Forscher der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) einen chipintegrierten, Erbium-dotierten Wellenleiterlaser, einen neuen Lasertyp, dessen Leistungsfähigkeit der von Faserlasern nahekommt und der Abstimmbarkeit mit der Zweckmäßigkeit der photonischen Integration im Chip-Maßstab kombiniert.
Es ist bekannt, dass Faserlaser mit Seltenerdelementen dotierte Glasfasern als Verstärkungsmedium verwenden. Daher bieten sie im Vergleich zu Gaslasern wie Kohlendioxid die Vorteile einer hohen Strahlqualität, hohen Leistung, hohen Effizienz, geringen Größe und nahtlosen Integration von Faserausgang und flexiblen Verarbeitungsplattformen.
Und um die Nachfrage nach Faserlasern im Chipmaßstab zu befriedigen, haben sich die Forscher Erbium als Verstärkungsmedium zugewandt. Erbiumbasierte Faserlaser sind besonders vielversprechend, da sie die Anforderungen an die Aufrechterhaltung hoher Kohärenz und Stabilität erfüllen. Die Miniaturisierung erbiumbasierter Faserlaser war jedoch lange Zeit schwierig zu erreichen, da es schwierig war, ihre einzigartig hohe Leistung aufrechtzuerhalten.
Zu diesem Zweck konstruierten die Forscher zunächst einen meterlangen optischen Resonator auf dem Chip, der auf einem photonischen integrierten Schaltkreis aus Siliziumnitrid mit extrem geringen Verlusten basiert. Yang Liu, Forscher am Labor für Photonik und Quantenmessungen der École Polytechnique Fédérale de Lausanne, erklärt: „Trotz der kompakten Chipgröße konnten wir den Laserresonator dank der Integration dieser Mikroringresonatoren, die den optischen Weg effizient verlängern, ohne dass physische Verstärkergeräte erforderlich sind, auf einen Meter Länge konstruieren.“
Großer Durchbruch! Können chipgroße Laser Faserlaser ersetzen?
Anschließend implantierte das Team eine hohe Konzentration von Erbiumionen in den Schaltkreis, um gezielt das für die Laserwirkung erforderliche aktive Verstärkungsmedium zu erzeugen. Abschließend integrierten sie die Schaltkreise mit III-V-Halbleiter-Pumplasern, um die Erbiumionen anzuregen, sodass diese Licht aussenden und einen Laserstrahl erzeugen konnten.
Um die Leistung des Lasers zu verbessern und eine präzise Wellenlängensteuerung zu ermöglichen, entwickelten die Forscher ein innovatives Intrakavitätsdesign mit einem auf Mikroringen basierenden Noniusfilter, einem Filter, der Licht mit einer bestimmten Frequenz auswählt, um die Leistung des Lasers zu verbessern und eine präzise Wellenlängensteuerung zu ermöglichen.
Der Filter ermöglicht eine dynamische Abstimmung der 40 nm-Laserwellenlänge sowohl im C- als auch im L-Band, was sowohl bei der Abstimmung als auch bei niedrigen spektralen Störgrößen konventionelle Faserlaser übertrifft und gleichzeitig mit aktuellen Halbleiterherstellungsprozessen kompatibel bleibt. Das Design unterstützt stabiles Singlemode-Lasern mit einer intrinsischen Linienbreite von 50 Hz.
Mit einer Ausgangsleistung von über 10 mW und einer Seitenmodusunterdrückung von über 70 dB übertrifft der chipgroße, erbiumbasierte Faserlaser viele herkömmliche Laser. Durch ihre schmale Linienbreite emittieren sie reines und stabiles Licht und eignen sich daher ideal für kohärente Anwendungen wie Sensoren, Gyroskope, LIDAR und optische Frequenzmesstechnik.
Durch die Verkleinerung und Integration von Erbiumfaserlasern in Chip-Scale-Geräte können diese erschwinglicher werden und neue Anwendungen für hochintegrierte mobile Systeme in der Unterhaltungselektronik, der medizinischen Diagnostik und der Telekommunikation erschließen. Dies könnte auch die optischen Technologien in mehreren anderen Anwendungen verkleinern, darunter LIDAR, Mikrowellenphotonik, optische Frequenzsynthese und Freiraumkommunikation.