Wissenschaftlern der EPFL ist es gelungen, einen leistungsstarken erbiumdotierten Faserlaser auf einem Siliziumnitrid-Photonikchip zu miniaturisieren. Aufgrund der großen Größe herkömmlicher Erbium-dotierter Faserlaser und der Schwierigkeit, sie zu verkleinern, verspricht dieser Durchbruch große Fortschritte in der optischen Kommunikation und der Sensortechnologie.
Laser wurden in den 1960er Jahren entwickelt und haben die Welt revolutioniert. Sie sind aus modernen Anwendungen nicht mehr wegzudenken, von der Hightech-Chirurgie über die Datenübertragung über Glasfaserkabel bis hin zur Präzisionsfertigung.
Doch der Bedarf an Laseranwendungen steigt ebenso wie die Herausforderungen, die es zu bewältigen gilt. Insbesondere ist ein Wachstum des Marktes für Faserlaser zu beobachten, die derzeit in industriellen Anwendungen zum Schneiden, Schweißen und Markieren eingesetzt werden.
Faserlaser verwenden eine mit Seltenerdelementen (Erbium, Ytterbium, Neodym usw.) dotierte Glasfaser als Quelle für die optische Verstärkung (der Teil, der das Laserlicht erzeugt). Sie senden qualitativ hochwertige Strahlen aus und haben eine hohe Ausgangsleistung. Sie sind wartungsarm, effizient, langlebig und in der Regel kleiner als Gaslaser. Faserlaser sind auch der Maßstab für niedriges Phasenrauschen. Ihre Strahlen bleiben daher im Laufe der Zeit stabil.
Trotzdem wird zunehmend eine Miniaturisierung der Faserlaser auf Chipgröße gefordert. Erbium-dotierte Faserlaser sind besonders interessant, da sie alle Kriterien in Bezug auf die Aufrechterhaltung einer hohen Kohärenz und Stabilität erfüllen. Ihre Miniaturisierung hat jedoch Schwierigkeiten bereitet, ihre Leistung in kleinem Maßstab aufrechtzuerhalten.
Nun haben Wissenschaftler unter der Leitung von Dr. Yang Liu und Tobias Kippenberg von der EPFL den allerersten mit Erbium dotierten Wellenleiterlaser auf einem Chip entwickelt.Erbium-dotierten Laser auf einem Chip, dessen Leistung an die von Faserlasern herankommt, indem er eine breite Wellenlängenabstimmbarkeit mit der praktischen Seite der photonischen Integration auf Chip-Ebene verbindet. Dieser Fortschritt wurde in einem Artikel in der Zeitschrift Nature Photonics veröffentlicht.
Ein Laser auf Chip-Ebene
Die Forscherinnen und Forscher entwickelten ihren Erbium-Laser im Chip-Maßstab mithilfe eines hochmodernen Herstellungsverfahrens. Sie begannen mit der Herstellung eines 1 m langen optischen Hohlraums auf einem Chip (eine Reihe von Spiegeln, die eine optische Rückkopplung liefern), der auf einem sehr verlustarmen integrierten photonischen Schaltkreis aus Siliziumnitrid basiert.
"Wir konnten trotz der kompakten Chipgröße einen Laserhohlraum von einem Meter Länge entwerfen, weil wir diese Mikroringresonatoren integriert haben, die den optischen Weg effektiv verlängern, ohne die Größe des Geräts zu vergrößern", erklärt Yang Liu.
Anschließend implantierte das Team die Schaltung mit hochkonzentrierten Erbiumionen, um selektiv das aktive Medium zu erzeugen, das für die Laseraktivität benötigt wird. Schließlich integrierte es den Schaltkreis mit einem III-V-Halbleiter-Pumpenlaser, um die Erbiumionen anzuregen, damit sie Licht emittieren und den Laserstrahl erzeugen können.
Um die Leistung des Lasers zu verfeinern und eine präzise Steuerung der Wellenlänge zu erreichen, entwickelten die Forscherinnen und Forscher ein innovatives Intrakavitätsdesign mit Vernier-Filtern auf der Basis von Mikroringen, einer Art optischem Filter, der bestimmte Lichtfrequenzen auswählen kann.
Die Filter ermöglichen eine dynamische Abstimmung der Wellenlänge des Lasers über einen weiten Bereich, wodurch er vielseitig und für verschiedene Anwendungen einsetzbar ist. Dieses Design ermöglicht einen stabilen Singlemode-Laser mit einer bemerkenswert schmalen intrinsischen Linienbreite von nur 50 Hz.
Sie ermöglicht auch eine weitgehende Unterdrückung von Seitenmoden, d. h. die Fähigkeit des Lasers, Licht mit einer einzigen, konstanten Frequenz auszusenden und gleichzeitig die Intensität anderer Frequenzen ("Seitenmoden") zu minimieren. Dies gewährleistet eine "scharfe" und stabile Ausgabe über das gesamte optische Spektrum für hochpräzise Anwendungen.
Leistung, Präzision, Stabilität und geringes Rauschen
Der Erbium-dotierte Faserlaser im Chip-Maßstab hat eine Ausgangsleistung von über 10 mW und ein Verhältnis von über 70 dB zur Unterdrückung von Seitenmoden, womit er viele herkömmliche Systeme übertrifft.
Außerdem weist es eine sehr schmale Linienbreite auf. Mit anderen Worten: Das von ihm ausgesandte Licht ist sehr rein und gleichmäßig, was für kohärente Anwendungen wie Sensorik, Gyroskope, LiDAR und optische Frequenzmetrologie wichtig ist.
Der Vernier-Filter, der auf Mikroringen basiert, verleiht dem Laser eine breite Wellenlängenabstimmbarkeit über 40 nm in den C- und L-Bändern (Wellenlängenbereiche, die in der Telekommunikation verwendet werden), übertrifft herkömmliche Faserlaser sowohl in Bezug auf die Abstimmung als auch auf Spurs mit niedrigem Spektrum (Spurs sind unerwünschte Frequenzen) und ist gleichzeitig mit den aktuellen Halbleiterherstellungsprozessen kompatibel.
Laser der nächsten Generation
Die Miniaturisierung und Integration von Erbium-dotierten Faserlasern in Geräte im Chip-Maßstab kann ihre Gesamtkosten senken und sie so für tragbare und hochintegrierte Systeme in der Telekommunikation, der medizinischen Diagnostik und der Unterhaltungselektronik zugänglich machen.
Sie können auch die Größe optischer Technologien in verschiedenen anderen Anwendungen verringern, z. B. LiDAR, Mikrowellenphotonik, optische Frequenzsynthese und Freiraumkommunikation.
"Die Anwendungsbereiche dieser neuen Klasse von integrierten, mit Erbium dotierten Lasern sind nahezu unbegrenzt", sagt Yang Liu.
Das Spin-off des Labors, EDWATEC SA, ist ein Hersteller von integrierten Geräten, der nun Geräte auf der Grundlage von mit Seltenen Erden dotierten photonischen integrierten Schaltkreisen anbieten kann, darunter Hochleistungsverstärker und -laser.
Anderer Mitwirkender
- Zentrum für Quantenwissenschaften und -technik der EPFL
Referenzen
Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji, Andrea Bancora, Grigory Lihachev, Johann Riemensberger, Rui Ning Wang, Andrey Voloshin, Tobias J. Kippenberg. A fully hybrid integrated Erbium-based laser. Nature Photonics 10 June 2024. DOI: 10.1038/s41566’024 -01454-7.
Ein integrierter Hybridlaser mit einer Erbium-dotierten photonischen integrierten Schaltung. Credit: Y. Liu (EPFL)
