Panoramica I laser hanno rivoluzionato il mondo a partire dagli anni '60 e sono ora uno strumento indispensabile nelle applicazioni moderne, dalla chirurgia all'avanguardia e dalla produzione di precisione alla trasmissione di dati in fibra ottica. Tuttavia, con la crescita della domanda di applicazioni laser, si presentano anche delle sfide. Ad esempio, il mercato dei laser a fibra è in espansione e attualmente vengono utilizzati principalmente in applicazioni industriali di taglio, saldatura e marcatura. I laser a fibra utilizzano fibre ottiche drogate con elementi di terre rare (erbio, itterbio, neodimio, ecc.) come mezzo di guadagno ottico. I laser a fibra producono raggi di alta qualità, elevata potenza di uscita, alta efficienza, bassi costi di manutenzione e durata e sono generalmente più piccoli dei laser a gas. I laser a fibra sono anche il "gold standard" per il basso rumore di fase, il che significa che i loro raggi possono rimanere stabili per lungo tempo. Nonostante ciò, esiste una crescente domanda di miniaturizzazione dei laser a fibra su scala chip. I laser a fibra a base di erbio sono di particolare interesse perché soddisfano tutti i requisiti per mantenere un'elevata coerenza e stabilità del laser. Tuttavia, come mantenere le prestazioni dei laser a fibra su piccola scala è sempre stata una sfida per la miniaturizzazione dei laser a fibra.
Ora, un team di scienziati guidato dal Dr. Yang Liu e dal professor Tobias Kippenberg dell’EPFL ha creato il primo laser a guida d’onda drogato con erbio integrato in un chip che si avvicina alle prestazioni dei laser a fibra combinando al tempo stesso un’ampia sintonizzabilità della lunghezza d’onda con la praticità della fotonica su scala di chip. integrazione. Lo studio è stato pubblicato su Nature Photonics.
Immagine di un laser ad erbio integrato ibrido completamente impacchettato basato su un chip integrato fotonico al nitruro di silicio, che fornisce coerenza laser in fibra e sintonizzabilità della frequenza precedentemente irraggiungibile. Fonte: Andrea Bancora e Yang Liu (EPFL).
Fabbricazione di un laser a scala di chip
I ricercatori hanno sviluppato un laser ad erbio su scala di chip utilizzando processi di fabbricazione all'avanguardia. Per prima cosa hanno costruito una cavità ottica su chip lunga un metro (una serie di specchi che forniscono feedback ottico) su un chip integrato fotonico di nitruro di silicio a bassissima perdita. "Nonostante le dimensioni ridotte del chip, siamo stati in grado di progettare la cavità del laser in modo che fosse lunga un metro, grazie all'integrazione di questi risonatori a microfori, che estendono efficacemente il percorso ottico senza ingrandire fisicamente il dispositivo", ha affermato il Dott. Yang Liu. Il team ha poi impiantato un'alta concentrazione di ioni erbio nel chip per produrre selettivamente il mezzo di guadagno attivo necessario per l'uso del laser. Infine, hanno integrato il circuito con una pompa laser a semiconduttore III-V per eccitare gli ioni erbio, facendoli emettere luce e produrre un raggio laser.
Figura 1: Laser ibrido integrato Er:Si3N4. Fonte: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al., "Un laser a base di erbio integrato completamente ibrido", Nature Photonics (2024). Per perfezionare le prestazioni del laser e consentire un controllo preciso della lunghezza d'onda, i ricercatori hanno ideato un innovativo design intracavità utilizzando un filtro Vernier basato su micropori, un filtro ottico in grado di selezionare frequenze luminose specifiche. Questo filtro può regolare dinamicamente la lunghezza d'onda del laser su un'ampia gamma, rendendolo versatile e adatto a una varietà di applicazioni. Questo design supporta laser monomodali stabili con una larghezza di linea intrinseca di soli 50 Hz.
Presenta inoltre una significativa soppressione della modalità laterale: il laser è in grado di emettere luce a un'unica frequenza stabile riducendo al minimo l'intensità delle altre frequenze ("modalità laterali"). Ciò garantisce un output "pulito" e stabile nell'intero intervallo spettrale per applicazioni ad alta precisione.
Figura 2: Laser ibrido integrato Er:Si3N4nonio funzionante in modalità laser monomodale. Fonte: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al., "Un laser a base di erbio integrato completamente ibrido", Nature Photonics (2024). Potenza, precisione, stabilità e basso rumore Il laser a fibra di erbio su scala di chip ha una potenza di uscita di oltre 10 mW e un rapporto di soppressione della modalità laterale di oltre 70 dB, che è migliore di molti sistemi convenzionali. Ha anche una larghezza di linea molto stretta, il che significa che la luce che emette è molto pura e stabile, il che è importante per applicazioni coerenti come rilevamento, giroscopi, lidar e metrologia della frequenza ottica. Il filtro Vernier basato su microfori conferisce al laser un'ampia sintonizzabilità della lunghezza d'onda di 40 nm nella banda C e nella banda L (la gamma di lunghezze d'onda utilizzata per le telecomunicazioni), superando i laser a fibra convenzionali nella sintonizzazione e negli speroni spettrali bassi ("spur" sono frequenze indesiderate ) pur rimanendo compatibile con gli attuali processi di produzione di semiconduttori.
Figura 3: Dimostrazione della sintonizzazione a banda larga della lunghezza d'onda del laser. Fonte: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji, et al., "Un laser a base di erbio integrato completamente ibrido", Nature Photonics (2024). Laser di nuova generazione
La miniaturizzazione e l’integrazione dei laser a fibra di erbio in dispositivi su scala chip potrebbero ridurne il costo complessivo, rendendoli utili per sistemi portatili e altamente integrati nelle telecomunicazioni, nella diagnostica medica e nell’elettronica di consumo.
Figura 4: Caratterizzazione del rumore laser integrata completamente ibrida ed EDWL. Fonte: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al, "Un laser a base di erbio integrato completamente ibrido", Nature Photonics (2024). Potrebbe anche ridimensionare la tecnologia ottica per una varietà di altre applicazioni, come LIDAR, fotonica a microonde, sintesi di frequenza ottica e comunicazioni nello spazio libero. afferma il Dott. Yang Liu: "Le aree di applicazione di questo nuovo laser integrato drogato con erbio sono praticamente illimitate".
