پیشرفت جدید در تحقیق و توسعه لیزرهای مقیاس تراشه

لیزرها از دهه 1960 جهان را متحول کردند و اکنون ابزارهای ضروری برای کاربردهای مدرن از جراحی پیشرفته و ساخت دقیق تا انتقال داده با فیبر نوری هستند.
اما با افزایش تقاضا برای کاربردهای لیزر، چالش ها نیز افزایش می یابد. به عنوان مثال، بازار رو به رشدی برای لیزرهای فیبر وجود دارد که در حال حاضر عمدتاً در کاربردهای صنعتی برش، جوشکاری و علامت گذاری استفاده می شود.
لیزرهای فیبر از فیبرهای نوری دوپ شده با عناصر خاکی کمیاب (اربیوم، ایتربیوم، نئودیمیم و غیره) به عنوان منبع بهره نوری (بخشی که نور لیزر را تولید می کند) استفاده می کنند. لیزرهای فیبر پرتوهای با کیفیت بالا با توان خروجی بالا، راندمان بالا، نگهداری کم، دوام و معمولاً کوچکتر از لیزرهای گازی هستند. لیزرهای فیبر همچنین "استاندارد طلایی" برای نویز فاز پایین هستند، به این معنی که پرتوهای آنها می توانند در مدت زمان طولانی پایدار باشند.
با وجود این، تقاضای فزاینده ای برای کوچک سازی لیزرهای فیبر در مقیاس تراشه وجود دارد. لیزرهای فیبر مبتنی بر اربیوم از اهمیت ویژه ای برخوردار هستند زیرا تمام الزامات برای بالا نگه داشتن انسجام و پایداری لیزر را برآورده می کنند. با این حال، چگونگی حفظ عملکرد لیزرهای فیبر در مقیاس های کوچک برای لیزرهای فیبر مینیاتوری یک چالش بوده است.

اکنون، دانشمندان به رهبری دکتر یانگ لیو و پروفسور توبیاس کیپنبرگ در EPFL اولین لیزرهای موجبر دوپ شده با اربیوم یکپارچه با تراشه را با عملکردی نزدیک به لیزرهای فیبر ساخته اند، در حالی که کاربرد قابلیت تنظیم طول موج گسترده و فوتونیک در مقیاس تراشه را ترکیب می کنند. ادغام. این مطالعه در Nature Photonics منتشر شد.
ساخت لیزر در مقیاس تراشه
محققان لیزرهای اربیوم در مقیاس تراشه را با استفاده از فرآیندهای ساخت پیشرفته توسعه دادند. آنها ابتدا یک حفره نوری روی تراشه به طول یک متر (مجموعه ای از آینه هایی که بازخورد نوری را ارائه می دهند) بر اساس مدار مجتمع فوتونیکی نیترید سیلیکون با تلفات بسیار کم ساختند.
دکتر یانگ لیو گفت: "با وجود اندازه تراشه جمع و جور، ما توانستیم حفره لیزر را به طول یک متر به لطف ادغام این تشدیدگرهای میکروویا طراحی کنیم که به طور موثر مسیر نوری را بدون بزرگ کردن فیزیکی دستگاه گسترش می دهند."

سپس تیم، غلظت بالایی از یون‌های اربیوم را در مدار کاشت تا به طور انتخابی محیط بهره فعال مورد نیاز برای لیزر را تولید کند. در نهایت، آنها مدار را با یک لیزر نیمه هادی گروه III-V یکپارچه کردند تا یون های اربیوم را برای انتشار نور و تولید پرتو لیزر تحریک کنند.
برای بهبود عملکرد لیزر و دستیابی به کنترل دقیق طول موج، محققان یک طرح ابتکاری درون حفره ای ابداع کردند که دارای یک فیلتر ریز متخلخل مبتنی بر ورنیه است، یک فیلتر نوری که امکان انتخاب فرکانس نوری خاص را فراهم می کند.
این فیلتر امکان تنظیم پویای طول موج لیزر را در طیف گسترده ای از طول موج ها فراهم می کند و آن را همه کاره و مناسب برای کاربردهای مختلف می کند. این طراحی از لیزرهای تک حالته پایدار با پهنای خط داخلی بسیار باریک تنها 50 هرتز پشتیبانی می کند.
همچنین دارای قابلیت سرکوب حالت جانبی قابل توجهی است که در آن لیزر قادر است نور را در یک فرکانس ثابت و واحد ساطع کند در حالی که شدت فرکانس های دیگر را به حداقل می رساند ("حالت های جانبی"). این خروجی "تمیز" و پایدار را در کل محدوده طیفی برای کاربردهای با دقت بالا تضمین می کند.

تصویر نوری از یک لیزر یکپارچه هیبریدی بر اساس مدار مجتمع فوتونیک دوپ شده با اربیوم، انسجام یک لیزر فیبر و قابلیت تنظیم فرکانس پیش از این دست نیافتنی را ارائه می دهد.
قدرت، دقت، پایداری و نویز کم
لیزر فیبر اربیوم در مقیاس تراشه دارای توان خروجی بیش از 10 مگاوات و نسبت دفع حالت جانبی بیش از 70 دسی بل است که نسبت به بسیاری از سیستم های معمولی برتری دارد.
همچنین دارای پهنای خط بسیار باریکی است، به این معنی که نوری که ساطع می‌کند بسیار خالص و پایدار است، که برای کاربردهای منسجمی مانند سنجش، ژیروسکوپ، LIDAR و اندازه‌گیری فرکانس نوری مهم است.
فیلتر ورنیه مبتنی بر دیافراگم میکرو به لیزر امکان تنظیم طول موج گسترده 40 نانومتر در هر دو باند C و باند L (محدوده طول موج مورد استفاده برای مخابرات) را می دهد، که هم در تنظیم و هم در اسپایک طیفی پایین از لیزرهای فیبر معمولی بهتر عمل می کند. معیارها ("پایه ها" فرکانس های ناخواسته هستند)، در حالی که در عین حال با فرآیندهای فعلی تولید نیمه هادی سازگار هستند، همچنان سازگار هستند.

لیزرهای نسل بعدی
کوچک‌سازی و ادغام لیزرهای فیبر اربیوم در دستگاه‌های در مقیاس تراشه هزینه کلی آنها را کاهش می‌دهد و به آنها اجازه می‌دهد در سیستم‌های قابل حمل و یکپارچه در مخابرات، تشخیص‌های پزشکی و لوازم الکترونیکی مصرفی استفاده شوند.
همچنین می‌تواند فناوری نوری را برای انواع کاربردهای دیگر، مانند LIDAR، فوتونیک مایکروویو، سنتز فرکانس نوری و ارتباطات در فضای آزاد کوچک کند.