Исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) в Швейцарии разработали первый в мире лазер с интегрированным чипом, который по своим характеристикам не уступает обычным волоконным лазерам. Как сообщают исследователи, это достижение может помочь в разработке более компактных, портативных и экономичных лазеров для различных областей применения.
С момента своего появления в 1960-х годах лазеры изменили то, как устроен наш мир. Лазеры быстро стали неотъемлемой частью современного мира - от точного производства до современных хирургических вмешательств, от телекоммуникаций до печати. В связи с расширением областей применения возникает необходимость в разработке лазеров меньшего размера, которые были бы дешевле в производстве и проще в эксплуатации. Исследователи работают над миниатюризацией волоконных лазеров, которые считаются золотым стандартом среди лазеров благодаря высокому качеству излучения, значительной выходной мощности и низкому уровню шума.
Исследовательская группа под руководством Тобиаса Киппенберга, профессора физики в EPFL, разработала волноводный лазер на основе эрбия, встроенный в фотонный чип, который обеспечивает характеристики луча, сходные с характеристиками волоконных лазеров. Эрбий - редкоземельный элемент, который выступает в качестве источника света в лазере.
Для достижения этой цели исследователи использовали самый современный технологический процесс и приступили к созданию оптического резонатора на кристалле из нитрида кремния. Оптический резонатор - это набор зеркал, обеспечивающих оптическую обратную связь.
Затем команда внедрила ионы эрбия в схему, чтобы создать усиление, необходимое для генерации, и объединила ее с полупроводниковой накачкой, которая возбуждает ионы эрбия, излучает свет и формирует лазерный луч. Узость лазерного луча позволяет ему излучать устойчивый свет, который необходим для различных применений - от лидара до зондирования, изготовления гироскопов и выполнения метрологических работ с использованием оптической частоты.
В ходе тестирования исследователи подтвердили, что их лазерный луч генерирует мощность 10 МВт и имеет коэффициент бокового подавления более 70 дБ. Это намного превосходит обычные лазерные системы. Одной из областей, в которой лазер показал лучшие результаты по сравнению с волоконными лазерами, была возможность перестройки длины волны более чем на 40 нанометров в C- и L-диапазонах. Эти длины волн важны для телекоммуникационных приложений, и лазер на фотонных чипах может помочь в создании более совершенных систем.
Согласно представленному исследователями отчету выполненных ими изысканий, эти возможности лазерной системы на фотонных чипах стали возможны благодаря таким инновациям, как конструкция с внутренним резонатором, в которой исследователи использовали верньерные фильтры на основе микрорезонатора. “Мы смогли спроектировать лазерный резонатор длиной в метр, несмотря на компактный размер чипа, благодаря интеграции этих микрорезонаторов, которые эффективно расширяют оптический путь без физического увеличения устройства”, - сказал Ян Лю, докторант-исследователь из EPFL, который также принимал участие в работе. Это позволило фильтру использовать определенные частоты излучения и динамическую настройку длины волны лазера в широком диапазоне. Лазер излучает свет на одной постоянной частоте, минимизируя другие частоты (боковой режим), что позволяет добиться превосходного коэффициента подавления боковых волн, упомянутого ранее.
Миниатюризация таких эрбиевых лазеров в устройствах на основе микросхем выгодна экономически, поскольку снижает затраты и упрощает их интеграцию в такие приложения, как телекоммуникации, медицинская диагностика и бытовая электроника, говорится в пресс-релизе.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Photonics.