Los láseres han revolucionado el mundo desde los años 60 y ahora son indispensables en aplicaciones modernas, desde cirugía avanzada y fabricación de precisión hasta transmisión de datos a través de fibras ópticas.
Pero a medida que crece la necesidad de aplicaciones basadas en láser, también aumentan los desafíos. Por ejemplo, existe un mercado creciente para los láseres de fibra, que actualmente se utilizan en aplicaciones industriales de corte, soldadura y marcado.
Los láseres de fibra utilizan fibras ópticas dopadas con elementos de tierras raras (erbio, iterbio, neodimio, etc.) como fuente de ganancia óptica (la parte que produce la luz láser). Emiten haces de alta calidad, tienen una alta potencia de salida, son eficientes, requieren poco mantenimiento, son duraderos y, por lo general, son más pequeños que los láseres de gas. Los láseres de fibra también son el “estándar de oro” para el ruido de fase bajo, lo que significa que sus haces son estables en el tiempo.
Pero a pesar de todo esto, la demanda de miniaturización de los láseres de fibra a nivel de chip está aumentando. Los láseres de fibra basados en erbio son particularmente interesantes, ya que cumplen todos los requisitos para mantener una alta coherencia y estabilidad del láser. Pero mantener su desempeño a pequeña escala ha generado desafíos.
Ahora, los científicos dirigidos por el Dr. Yang Liu y el Prof. Tobias Kippenberg de la EPFL han creado el primer láser de guía de ondas dopado con erbio integrado en un chip que se acerca al rendimiento de los láseres de fibra, haciendo realidad la fotografía de integración en el chip. se combina con . Publicado en Progreso. Fotónica de la naturaleza.
Creando láseres a escala de chip
Los investigadores desarrollaron su láser de erbio a escala de chip mediante un proceso de fabricación de última generación. Comenzaron construyendo una cavidad óptica en un chip de un metro de largo (un conjunto de espejos que proporcionan retroalimentación óptica) basada en un circuito integrado fotónico de nitruro de silicio de pérdida ultrabaja.
El Dr. Liu dice: “Pudimos diseñar la cavidad del láser para que tenga una longitud de escala de un metro a pesar del tamaño compacto del chip, gracias a la integración de estos resonadores de microondas que estrechan efectivamente la trayectoria óptica sin agrandar físicamente el dispositivo”. dice el Dr. Liu.
Luego, el equipo inyectó en el circuito altas concentraciones de iones de erbio para seleccionar el medio de ganancia activo necesario para el láser. Finalmente, integraron el circuito con una bomba láser semiconductor III-V para excitar los iones de erbio para que emitan luz y produzcan un rayo láser.
Para mejorar la eficiencia del láser y lograr un control preciso de la longitud de onda, los investigadores desarrollaron un innovador diseño intracavidad que incorpora filtros vernier basados en micras, un tipo de filtro óptico que puede seleccionar frecuencias de luz específicas.
Los filtros permiten el ajuste dinámico de la longitud de onda del láser en un amplio rango, lo que lo hace versátil y utilizable en una variedad de aplicaciones. Este diseño admite láser estable y monomodo con un ancho de línea interno impresionantemente estrecho de solo 50 Hz.
También permite la supresión de modos laterales críticos: la capacidad de un láser de emitir luz a una frecuencia única y constante mientras reduce la intensidad de otras frecuencias (‘modos laterales’). Esto garantiza una salida “limpia” y estable en todo el espectro de luz para aplicaciones de alta precisión.
Potencia, precisión, estabilidad y bajo nivel de ruido.
El láser de fibra basado en erbio a escala de chip tiene una potencia de salida de más de 10 mW y una relación de supresión de modo lateral de más de 70 dB, superando a muchos sistemas convencionales.
También tiene un ancho de línea muy estrecho, lo que significa que la luz que emite es muy pura y estable, lo cual es importante para aplicaciones integradas como sensores, giroscopios, LiDAR y metrología de frecuencia óptica.
Un filtro vernier basado en micras proporciona una amplia capacidad de sintonización de longitud de onda del láser a 40 nm dentro de las bandas C y L (rangos de longitud de onda utilizados en telecomunicaciones), sintonización y matriz de espuelas espectrales reducidas (“espuelas”). Supera a los láseres de fibra tradicionales en ambos. (frecuencia), a la vez que es compatible con los procesos actuales de fabricación de semiconductores.
Láseres de próxima generación
Miniaturizar e integrar láseres de fibra de erbio en dispositivos a escala de chip puede reducir sus costos generales, haciéndolos accesibles para sistemas portátiles y altamente integrados en telecomunicaciones, diagnóstico médico y electrónica de consumo.
También puede sustentar las tecnologías ópticas en otras aplicaciones, como LiDAR, fotónica de microondas, síntesis de frecuencia óptica y comunicaciones en el espacio libre.
“Las áreas de aplicación de esta nueva clase de láseres integrados dopados con erbio son prácticamente ilimitadas”, afirma Liu.
Escisión del laboratorio,EDWATEC SA, Es Un fabricante de dispositivos integrado puede hacer Ahora ofrece dispositivos basados en circuitos integrados fotónicos dopados con iones de tierras raras, incluidos amplificadores y láseres de alto rendimiento.
