Gli scienziati dell’EPFL sono riusciti a miniaturizzare un potente laser in fibra ottica drogato di erbio su un chip fotonico in nitruro di silicio. Date le grandi dimensioni dei laser in fibra ottica drogati con erbio convenzionali e la difficoltà di ridurle, questa scoperta promette importanti progressi nelle comunicazioni ottiche e nelle tecnologie di rilevamento.
Creati negli anni ’60, i laser hanno rivoluzionato il mondo. Sono diventati indispensabili nelle applicazioni moderne, dalla chirurgia d’avanguardia alla trasmissione di dati in fibra ottica e alla produzione di precisione.
Ma la necessità di applicazioni laser sta crescendo, così come le sfide. In particolare, il mercato dei laser a fibre ottiche, attualmente utilizzati nelle applicazioni industriali di taglio, saldatura e marcatura, è in crescita.
I laser a fibra utilizzano una fibra ottica drogata con elementi di terre rare (erbio, itterbio, neodimio, ecc.) come sorgente ottica di guadagno (la parte che produce la luce laser). Emettono fasci di alta qualità e hanno un’elevata potenza di uscita. Richiedono poca manutenzione, sono efficienti, durevoli e generalmente di dimensioni più ridotte rispetto ai laser a gas. I laser a fibra sono anche il punto di riferimento per il basso rumore di fase. Di conseguenza, i loro fasci rimangono stabili nel tempo.
Ciononostante, vi è una crescente richiesta di miniaturizzazione dei laser a fibra su scala chip. I laser in fibra drogati con erbio sono particolarmente interessanti, in quanto soddisfano tutti i criteri per mantenere un’elevata coerenza e stabilità. Tuttavia, la loro miniaturizzazione ha reso difficile mantenere le loro prestazioni su piccola scala.
Oggi gli scienziati guidati dai dottori Yang Liu e Tobias Kippenberg dell’EPFL hanno creato il primo laser a guida d’onda drogato di erbio integrato su un chip.laser a guida d’onda drogato di erbio integrato su chip, con prestazioni vicine a quelle dei laser a fibre ottiche, combinando un’ampia sintonizzazione delle lunghezze d’onda con la praticità dell’integrazione fotonica su scala chip. Questa scoperta è stata oggetto di un articolo pubblicato sulla rivista Nature Photonics.
Un laser su scala di chip
I ricercatori hanno sviluppato il loro laser a erbio su scala di chip utilizzando un processo di produzione ultramoderno. Hanno iniziato creando una cavità ottica su chip lunga un metro (una serie di specchi che forniscono un feedback ottico) basata su un circuito integrato fotonico in nitruro di silicio a bassissima perdita.
"Siamo riusciti a progettare una cavità laser lunga un metro, nonostante le dimensioni compatte del chip, grazie all’integrazione di questi risonatori a micro-anello, che allungano efficacemente il percorso ottico senza aumentare le dimensioni del dispositivo", spiega Yang Liu.
Il team ha poi impiantato il circuito con alte concentrazioni di ioni erbio per creare selettivamente il mezzo attivo necessario per l’attività del laser. Infine, hanno integrato il circuito con un laser di pompa a semiconduttore III-V per eccitare gli ioni di erbio a emettere luce e produrre il fascio laser.
Per perfezionare le prestazioni del laser e ottenere un controllo preciso della lunghezza d’onda, i ricercatori hanno sviluppato un design innovativo all’interno della cavità che incorpora filtri Vernier a micro-anello, un tipo di filtro ottico in grado di selezionare specifiche frequenze di luce.
I filtri consentono la regolazione dinamica della lunghezza d’onda del laser in un’ampia gamma, rendendolo versatile e adatto a diverse applicazioni. Questo progetto si traduce in un laser monomodale stabile con una larghezza di linea intrinseca notevolmente ridotta, pari a soli 50 Hz.
Inoltre, garantisce una significativa soppressione dei modi laterali, ovvero la capacità del laser di emettere luce a una singola frequenza costante riducendo al minimo l’intensità di altre frequenze ("modi laterali"). Ciò garantisce un’emissione "nitida" e stabile in tutto lo spettro ottico per applicazioni di alta precisione.
Potenza, precisione, stabilità e basso rumore
Il laser in fibra drogata di erbio su scala chip ha una potenza di uscita di oltre 10mW e un rapporto di soppressione dei modi laterali di oltre 70dB, che gli consente di superare molti sistemi tradizionali.
Inoltre, ha una larghezza di linea molto stretta. In altre parole, la luce che emette è molto pura e regolare, il che è importante per applicazioni coerenti come il rilevamento, i giroscopi, il LiDAR e la metrologia ottica di frequenza.
Il filtro Vernier, basato su micro-anelli, conferisce al laser un’ampia sintonizzazione della lunghezza d’onda di oltre 40 nm nelle bande C e L (intervalli di lunghezze d’onda utilizzati nelle telecomunicazioni), superando i laser in fibra tradizionali sia in termini di sintonizzazione che di spurs a basso spettro (gli spurs sono frequenze indesiderate), pur rimanendo compatibile con gli attuali processi di produzione dei semiconduttori.
Laser di nuova generazione
La miniaturizzazione e l’integrazione dei laser in fibra ottica drogati con erbio in dispositivi su scala chip può ridurre il loro costo complessivo, rendendoli accessibili per sistemi portatili e altamente integrati nelle telecomunicazioni, nella diagnostica medica e nell’elettronica di consumo.
Possono anche ridurre le dimensioni delle tecnologie ottiche in una serie di altre applicazioni, come LiDAR, fotonica a microonde, sintesi ottica di frequenza e comunicazioni nello spazio libero.
"Le aree di applicazione di questa nuova classe di laser integrati drogati con erbio sono virtualmente illimitate", afferma Yang Liu.
Lo spin-off del laboratorio, EDWATEC SA , è un produttore di dispositivi integrati che può ora offrire dispositivi basati su circuiti integrati fotonici drogati con terre rare, compresi amplificatori e laser ad alte prestazioni.
Altri collaboratori
- Centro EPFL per la scienza e l’ingegneria quantistica
Riferimenti
Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji, Andrea Bancora, Grigory Lihachev, Johann Riemensberger, Rui Ning Wang, Andrey Voloshin, Tobias J. Kippenberg. Un laser integrato completamente ibrido a base di Erbio. Nature Photonics 10 giugno 2024. DOI: 10.1038/s41566’024 -01454-7
Un laser ibrido integrato con un circuito fotonico integrato drogato di erbio. Crediti: Y. Liu (EPFL)
