Descripción general Los láseres han revolucionado el mundo desde la década de 1960 y ahora son una herramienta indispensable en aplicaciones modernas, desde cirugía de vanguardia y fabricación de precisión hasta transmisión de datos por fibra óptica. Sin embargo, a medida que crece la demanda de aplicaciones láser, también surgen desafíos. Por ejemplo, el mercado de los láseres de fibra se está expandiendo y actualmente se utilizan principalmente 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 medio de ganancia óptica. Los láseres de fibra producen haces de alta calidad, alta potencia de salida, alta eficiencia, bajos costos de mantenimiento y durabilidad, y generalmente son más pequeños que los láseres de gas. Los láseres de fibra también son el "estándar de oro" en cuanto a ruido de fase bajo, lo que significa que sus haces pueden permanecer estables durante mucho tiempo. A pesar de esto, existe una demanda creciente de miniaturización de láseres de fibra a escala de chip. Los láseres de fibra a base de erbio son de particular interés porque cumplen todos los requisitos para mantener una alta coherencia y estabilidad del láser. Sin embargo, cómo mantener el rendimiento de los láseres de fibra a pequeña escala siempre ha sido un desafío para la miniaturización de los láseres de fibra.
Ahora, un equipo de científicos dirigido por el Dr. Yang Liu y el profesor Tobias Kippenberg de la EPFL ha 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 y al mismo tiempo combina la capacidad de sintonización de una amplia longitud de onda con la practicidad de los láseres fotónicos a escala de chip. integración. El estudio fue publicado en Nature Photonics.
Imagen de un láser de erbio integrado híbrido completamente empaquetado basado en un chip fotónico integrado de nitruro de silicio, que proporciona coherencia del láser de fibra y una capacidad de sintonización de frecuencia previamente inalcanzable. Fuente: Andrea Bancora y Yang Liu (EPFL).
Fabricación de un láser a escala de chip
Los investigadores desarrollaron un láser de erbio a escala de chip utilizando procesos de fabricación de última generación. Primero construyeron una cavidad óptica en un chip de un metro de largo (un conjunto de espejos que proporcionan retroalimentación óptica) en un chip fotónico integrado de nitruro de silicio de pérdida ultrabaja. "A pesar del pequeño tamaño del chip, pudimos diseñar la cavidad del láser para que tuviera un metro de largo, gracias a la integración de estos resonadores de microagujeros, que extienden efectivamente la trayectoria óptica sin agrandar físicamente el dispositivo", dijo el Dr. Yang Liu. Luego, el equipo implantó una alta concentración de iones de erbio en el chip para producir selectivamente el medio de ganancia activo necesario para el láser. Finalmente, integraron el circuito con una bomba láser semiconductora III-V para excitar los iones de erbio, haciendo que emitieran luz y produjeran un rayo láser.
Figura 1: Láser híbrido integrado Er:Si3N4. Fuente: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al., "Un láser integrado totalmente híbrido a base de erbio", Nature Photonics (2024). Para refinar el rendimiento del láser y permitir un control preciso de la longitud de onda, los investigadores idearon un innovador diseño intracavidad utilizando un filtro Vernier basado en microporos, un filtro óptico capaz de seleccionar frecuencias de luz específicas. Este filtro puede ajustar dinámicamente la longitud de onda del láser en un amplio rango, lo que lo hace versátil y adecuado para una variedad de aplicaciones. Este diseño admite láseres monomodo estables con un ancho de línea intrínseco de sólo 50 Hz.
También tiene una supresión significativa del modo lateral: el láser es capaz de emitir luz en una frecuencia única y estable mientras minimiza la intensidad de otras frecuencias ("modos laterales"). Esto garantiza una salida "limpia" y estable en todo el rango espectral para aplicaciones de alta precisión.
Figura 2: Láser híbrido integrado Er:Si3N4vernier que funciona con láser monomodo. Fuente: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al., "Un láser integrado totalmente híbrido a base de erbio", Nature Photonics (2024). Potencia, precisión, estabilidad y bajo ruido El láser de fibra de 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, que es mejor que 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 coherentes como sensores, giroscopios, lidar y metrología de frecuencia óptica. El filtro Vernier basado en microagujeros proporciona al láser una capacidad de sintonización de longitud de onda amplia de 40 nm en las bandas C y L (el rango de longitud de onda utilizado para las telecomunicaciones), superando a los láseres de fibra convencionales en sintonización y bajas espuelas espectrales ("espuelas" son frecuencias no deseadas ) sin dejar de ser compatible con los procesos actuales de fabricación de semiconductores.
Figura 3: Demostración de sintonización de banda ancha de longitud de onda láser. Fuente: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji, et al., "Un láser integrado totalmente híbrido a base de erbio", Nature Photonics (2024). Láseres de última generación
Miniaturizar e integrar láseres de fibra de erbio en dispositivos a escala de chip podría reducir su costo general, haciéndolos útiles para sistemas portátiles y altamente integrados en telecomunicaciones, diagnóstico médico y electrónica de consumo.
Figura 4: Caracterización del ruido láser integrado totalmente híbrido y EDWL. Fuente: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al, "Un láser integrado totalmente híbrido a base de erbio", Nature Photonics (2024). También podría reducir la tecnología óptica para una variedad de otras aplicaciones, como LIDAR, fotónica de microondas, síntesis de frecuencia óptica y comunicaciones en el espacio libre. dice el Dr. Yang Liu: "Las áreas de aplicación de este nuevo láser integrado dopado con erbio son prácticamente ilimitadas".
