SciTechDaily

ניקולס

חד יותר, קטן יותר, חכם יותר: מדענים מפתחים לייזר סיבים מיניאטורי פורץ דרך

תמונה אופטית של ארביום-לייזר היברידי משולב ארוז במלואו המבוסס על מעגל משולב פוטוני של סיליקון ניטריד, המספק קוהרנטיות סיב-לייזר ויכולת כוונון תדרים שלא ניתן היה להשיג בעבר. קרדיט: אנדריאה בנקורה ויאנג ליו (EPFL)

חוקרי EPFL פיתחו לייזר קומפקטי ובעל ביצועים גבוהים בסולם ארביום, המרחיב יישומים פוטנציאליים בטכנולוגיה וברפואה.

הלייזרים שינו את העולם מאז שנות ה-60 והפכו לחיוניים ביישומים מודרניים, כולל ניתוחים מתקדמים, ייצור מדויק והעברת נתונים דרך סיבים אופטיים.

אבל ככל שהצורך ביישומים מבוססי לייזר גדל, כך גם האתגרים גדלים. לדוגמה, יש שוק הולך וגדל ללייזרי סיבים, המשמשים כיום ביישומי חיתוך, ריתוך וסימון תעשייתיים.

לייזרים סיבים משתמשים בסיב אופטי המסומם ביסודות אדמה נדירים (ארביום, איטרביום, ניאודימיום וכו') כמקור הרווח האופטי שלהם (החלק שמייצר את האור של הלייזר). הם פולטים קרניים באיכות גבוהה, יש להם תפוקת כוח גבוהה, והם יעילים, דלי תחזוקה, עמידים, והם בדרך כלל קטנים יותר מלייזרי גז. לייזרים סיבים הם גם 'תקן הזהב' לרעש שלב נמוך, כלומר הקרנות שלהם נשארות יציבות לאורך זמן.

אבל למרות כל זה, יש ביקוש הולך וגובר ללייזרי סיבים מזעריים ברמת שבבים. לייזרים סיבים מבוססי ארביום מעניינים במיוחד, שכן הם עומדים בכל הדרישות לשמירה על קוהרנטיות ויציבות גבוהה של לייזר. אבל מזעורם נתקל באתגרים בשמירה על ביצועיהם בקנה מידה קטן.

כעת, מדענים בראשות ד"ר יאנג ליו ופרופסור טוביאס קיפנברג ב-EPFL בנו את הלייזר הראשון אי פעם המשולב בשבב עם מוליך גלים מסומם בארביום, שמתקרב לביצועים עם לייזרים מבוססי סיבים, המשלב התאמה של אורך גל רחב עם המעשיות של אינטגרציה פוטונית בקנה מידה שבב. . פריצת הדרך מתפרסמת ב טבע פוטוניקה.

בניית לייזר בקנה מידה שבב

החוקרים פיתחו את לייזר הארביום בקנה מידה שבב באמצעות תהליך ייצור מתקדם. הם התחילו בבניית חלל אופטי באורך מטר על-שבב (סט של מראות המספקות משוב אופטי) המבוסס על מעגל משולב פוטוני סיליקון ניטריד בעל אובדן נמוך במיוחד.

"הצלחנו לתכנן את חלל הלייזר באורך של מטר על אף גודל השבב הקומפקטי, הודות לשילוב של מהודים מיקרורינגים אלה המרחיבים ביעילות את הנתיב האופטי מבלי להגדיל פיזית את המכשיר", אומר ד"ר ליו.

לאחר מכן, הצוות השתיל למעגל יוני ארביום בריכוז גבוה כדי ליצור באופן סלקטיבי את מדיום הרווח הפעיל הדרוש ללייזר. לבסוף, הם שילבו את המעגל עם לייזר של משאבת מוליכים למחצה III-V כדי לעורר את יוני הארביום כדי לאפשר להם לפלוט אור ולהפיק את קרן הלייזר.

תמונה אופטית של לייזר פוטוני משולב משולב ארביום משולב

תמונה אופטית של לייזר פוטוני משולב משולב משולב עם ארביום היברידי מבוסס מעגלים משולב, המספק קוהרנטיות סיב-לייזר ויכולת כוונון תדרים שלא ניתן היה להשיג בעבר. קרדיט: יאנג ליו (EPFL)

כדי לחדד את ביצועי הלייזר ולהשיג בקרת אורך גל מדויקת, הנדסו החוקרים עיצוב פנים-חלל חדשני הכולל מסנני Vernier מבוססי מיקרורינג, סוג של מסנן אופטי שיכול לבחור תדרים ספציפיים של אור.

המסננים מאפשרים כוונון דינמי של אורך הגל של הלייזר על פני טווח רחב, מה שהופך אותו למגוון ושמיש ביישומים שונים. עיצוב זה תומך בלייזר יציב במצב יחיד עם רוחב קו פנימי צר מרשים של 50 הרץ בלבד.

הוא גם מאפשר דיכוי מצב צדדי משמעותי – יכולתו של הלייזר לפלוט אור בתדר אחד ועקבי תוך מזעור עוצמתם של תדרים אחרים ('מצבי צד'). זה מבטיח פלט "נקי" ויציב על פני ספקטרום האור עבור יישומים בעלי דיוק גבוה.

כוח, דיוק, יציבות ורעש נמוך

לייזר סיבים מבוסס ארביום בקנה מידה שבב כולל הספק פלט העולה על 10 mW ויחס דיכוי מצב צדדי גדול מ-70 dB, ביצועים טובים יותר ממערכות קונבנציונליות רבות.

יש לו גם רוחב קו צר מאוד, מה שאומר שהאור שהוא פולט הוא מאוד טהור ויציב, וזה חשוב ליישומים קוהרנטיים כמו חישה, גירוסקופים, LiDAR ומטרולוגיה של תדר אופטי.

מסנן Vernier מבוסס מיקרו-רינג נותן ללייזר יכולת כוונון של אורך גל רחב על פני 40 ננומטר בתוך פסי ה-C וה-L (טווחי אורכי גל המשמשים בטלקומוניקציה), ועובר על לייזרים סיבים מדור קודם, הן במדדים של כוונון והן במדדי דורבנות ספקטרליים נמוכים ("דורבנים" אינם רצויים. תדרים), תוך שהם נשארים תואמים לתהליכי ייצור מוליכים למחצה הנוכחיים.

לייזרים מהדור הבא

מזעור ושילוב לייזרים של סיבי ארביום בהתקנים בקנה מידה שבבים יכולים להפחית את העלויות הכוללות שלהם, ולהפוך אותם לנגישים עבור מערכות ניידות ומשולבות מאוד בתחומי טלקומוניקציה, אבחון רפואי ואלקטרוניקה צריכה.

זה יכול גם להקטין טכנולוגיות אופטיות ביישומים שונים אחרים, כגון LiDAR, פוטוניקת מיקרוגל, סינתזת תדרים אופטיים ותקשורת במרחב פנוי.

"תחומי היישום של מחלקה חדשה כזו של לייזרים משולבים מסוממים בארביום הם כמעט בלתי מוגבלים", אומר ליו.

הספין-אוף של המעבדה, EDWATEC SA, הוא יצרן מכשירים משולבים שיכול כעת להציע מכשירים מבוססי מעגלים משולבים פוטוניים בעלי ביצועים גבוהים, כולל מגברים ולייזרים בעלי ביצועים גבוהים.

ניקולס