Laser haben die Welt seit den 60er Jahren revolutioniert und sind heute aus modernen Anwendungen nicht mehr wegzudenken, von der Spitzenchirurgie und Präzisionsfertigung bis hin zur Datenübertragung über Glasfasern.
Doch mit dem wachsenden Bedarf an laserbasierten Anwendungen wachsen auch die Herausforderungen. So gibt es beispielsweise einen wachsenden Markt für Faserlaser, die derzeit in industriellen Schneid-, Schweiß- und Markierungsanwendungen eingesetzt werden.
Faserlaser verwenden eine mit Seltenerdelementen (Erbium, Ytterbium, Neodym usw.) dotierte Glasfaser als optische Verstärkungsquelle (der Teil, der das Laserlicht erzeugt). Sie strahlen qualitativ hochwertige Strahlen ab, haben eine hohe Ausgangsleistung, sind effizient, wartungsarm, langlebig und in der Regel kleiner als Gaslaser. Faserlaser sind außerdem der „Goldstandard“ für geringes Phasenrauschen, was bedeutet, dass ihre Strahlen im Laufe der Zeit stabil bleiben.
Trotz alledem besteht eine wachsende Nachfrage nach der Miniaturisierung von Faserlasern auf Chip-Ebene. Erbiumbasierte Faserlaser sind besonders interessant, da sie alle Anforderungen an die Aufrechterhaltung der hohen Kohärenz und Stabilität eines Lasers erfüllen. Ihre Miniaturisierung ist jedoch mit der Herausforderung verbunden, ihre Leistungsfähigkeit auf kleinem Maßstab aufrechtzuerhalten.
Nun haben Wissenschaftler unter der Leitung von Dr. Yang Liu und Professor Tobias Kippenberg an der EPFL den ersten chipintegrierten erbiumdotierten Wellenleiterlaser gebaut, der an die Leistung von faserbasierten Lasern heranreicht und dabei eine breite Wellenlängenabstimmung mit der Praktikabilität der photonischen Integration auf Chipebene kombiniert. Die Studie ist veröffentlicht In Naturphotonik.
Bau eines Lasers im Chipmaßstab
Die Forscher entwickelten ihren Erbiumlaser im Chipmaßstab mithilfe eines hochmodernen Herstellungsverfahrens. Sie begannen mit der Konstruktion einer meterlangen optischen Kavität auf dem Chip (eine Reihe von Spiegeln, die optische Rückkopplung liefern) auf der Basis eines photonischen integrierten Schaltkreises aus Siliziumnitrid mit ultraniedrigen Verlusten.
„Wir konnten den Laserhohlraum trotz der kompakten Chipgröße meterlang gestalten, dank der Integration dieser Mikroringresonatoren, die den optischen Weg effektiv verlängern, ohne das Gerät physisch zu vergrößern“, sagt Dr. Liu.
Anschließend implantierte das Team hochkonzentrierte Erbiumionen in den Schaltkreis, um gezielt das für die Laserwirkung notwendige aktive Verstärkungsmedium zu erzeugen. Abschließend integrierten sie den Schaltkreis mit einem III-V-Halbleiter-Pumplaser, um die Erbiumionen anzuregen, damit diese Licht emittieren und den Laserstrahl erzeugen können.
Um die Leistung des Lasers zu verbessern und eine präzise Wellenlängensteuerung zu erreichen, entwickelten die Forscher ein innovatives Intrakavitätsdesign mit Mikroring-basierten Vernier-Filtern, einer Art optischem Filter, der bestimmte Lichtfrequenzen auswählen kann.
Die Filter ermöglichen eine dynamische Abstimmung der Laserwellenlänge über einen weiten Bereich, wodurch der Laser vielseitig einsetzbar und für verschiedene Anwendungen geeignet ist. Dieses Design unterstützt stabiles Singlemode-Lasern mit einer beeindruckend schmalen intrinsischen Linienbreite von nur 50 Hz.
Es ermöglicht auch eine signifikante Nebenmodusunterdrückung – die Fähigkeit des Lasers, Licht mit einer einzigen, konsistenten Frequenz zu emittieren und gleichzeitig die Intensität anderer Frequenzen („Nebenmodi“) zu minimieren. Dies gewährleistet eine „saubere“ und stabile Ausgabe über das gesamte Lichtspektrum für hochpräzise Anwendungen.
Leistung, Präzision, Stabilität und geringe Geräuschentwicklung
Der chipgroße, erbiumbasierte Faserlaser weist eine Ausgangsleistung von über 10 mW und eine Seitenmodusunterdrückung von über 70 dB auf und übertrifft damit viele konventionelle Systeme.
Es verfügt außerdem über eine sehr schmale Linienbreite, was bedeutet, dass das von ihm ausgestrahlte Licht sehr rein und gleichmäßig ist, was für kohärente Anwendungen wie Sensoren, Gyroskope, LiDAR und optische Frequenzmesstechnik wichtig ist.
Der auf Mikroringen basierende Noniusfilter verleiht dem Laser eine breite Wellenlängenabstimmung über 40 nm innerhalb der C- und L-Bänder (in der Telekommunikation verwendete Wellenlängenbereiche) und übertrifft damit herkömmliche Faserlaser sowohl bei der Abstimmung als auch bei niedrigen spektralen Störgrößen („Störgrößen“ sind unerwünschte Frequenzen) und bleibt gleichzeitig mit den aktuellen Halbleiterherstellungsprozessen kompatibel.
Laser der nächsten Generation
Durch die Miniaturisierung und Integration von Erbium-Faserlasern in Geräte im Chipmaßstab können deren Gesamtkosten gesenkt werden, sodass sie für tragbare und hochintegrierte Systeme in den Bereichen Telekommunikation, medizinische Diagnostik und Unterhaltungselektronik geeignet werden.
Darüber hinaus können optische Technologien in verschiedenen anderen Anwendungen, wie etwa LiDAR, Mikrowellenphotonik, optischer Frequenzsynthese und Freiraumkommunikation, verkleinert werden.
„Die Anwendungsbereiche einer solchen neuen Klasse erbiumdotierter integrierter Laser sind praktisch unbegrenzt“, sagt Liu.
Mehr Informationen:
Ein vollhybrid integrierter Erbium-basierter Laser, Naturphotonik (2024). DOI: 10.1038/s41566-024-01454-7