סקירה כללית הלייזרים חוללו מהפכה בעולם מאז שנות ה-60 והם כיום כלי הכרחי ביישומים מודרניים, מניתוחים חדישים וייצור מדויק ועד להעברת נתונים בסיבים אופטיים. עם זאת, ככל שהביקוש ליישומי לייזר גדל, מתעוררים גם אתגרים. לדוגמה, שוק לייזרים סיבים הולך ומתרחב, והם משמשים כיום בעיקר ביישומי חיתוך, ריתוך וסימון תעשייתיים. לייזרים סיבים משתמשים בסיבים אופטיים המסוממים ביסודות אדמה נדירים (ארביום, איטרביום, ניאודימיום וכו') כמדיום ההגברה האופטי. לייזרים סיבים מייצרים קרניים באיכות גבוהה, הספק תפוקה גבוה, יעילות גבוהה, עלויות תחזוקה נמוכות ועמידות, ובדרך כלל הם קטנים יותר מלייזרי גז. לייזרים סיבים הם גם "תקן הזהב" לרעש פאזה נמוך, מה שאומר שהקרנות שלהם יכולות להישאר יציבות לאורך זמן. למרות זאת, יש ביקוש הולך וגובר למזעור לייזרים סיבים בקנה מידה שבב. לייזרים סיבים מבוססי ארביום הם בעלי עניין מיוחד מכיוון שהם עומדים בכל הדרישות לשמירה על קוהרנטיות ויציבות גבוהה של הלייזר. עם זאת, כיצד לשמור על הביצועים של לייזרים סיבים בקנה מידה קטן היה תמיד אתגר עבור מזעור לייזרים סיבים.
כעת, צוות מדענים בראשות ד"ר יאנג ליו ופרופסור טוביאס קיפנברג ב-EPFL יצר את הלייזר הראשון עם מוליך גל משולב בארביום המסומם בשבב, שמתקרב לביצועים של לייזרים סיבים תוך שילוב של כוונון אורך גל רחב עם המעשיות של פוטוני בקנה מידה שבב. שילוב. המחקר פורסם ב-Nature Photonics.
תמונה של לייזר ארביום משולב היברידי ארוז במלואו המבוסס על שבב פוטוני משולב של סיליקון ניטריד, המספק קוהרנטיות לייזר סיבים ויכולת כוונון תדרים שלא ניתן היה להשיג בעבר. מקור: אנדריאה בנקורה ויאנג ליו (EPFL).
ייצור לייזר בקנה מידה שבב
החוקרים פיתחו לייזר ארביום בקנה מידה שבב תוך שימוש בתהליכי ייצור חדישים. תחילה הם בנו חלל אופטי על-שבב באורך מטר אחד (סט של מראות המספקות משוב אופטי) על שבב משולב סיליקון ניטריד-פוטוני בעל אובדן נמוך במיוחד. "למרות גודלו הקטן של השבב, הצלחנו לתכנן את חלל הלייזר באורך מטר אחד, הודות לשילוב של מהודים מיקרו-חורים אלה, אשר למעשה מאריכים את הנתיב האופטי מבלי להגדיל פיזית את המכשיר", אמר ד"ר. יאנג ליו. לאחר מכן הצוות השתיל ריכוז גבוה של יוני ארביום בשבב כדי לייצר באופן סלקטיבי את מדיום הרווח הפעיל הנדרש ללייזר. לבסוף, הם שילבו את המעגל עם לייזר משאבת מוליכים למחצה III-V כדי לעורר את יוני הארביום, מה שגרם להם לפלוט אור ולייצר קרן לייזר.
איור 1: לייזר Er:Si3N4 משולב היברידי. מקור: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji וחב', "לייזר המבוסס על ארביום היברידי מלא", Nature Photonics (2024). כדי לחדד את ביצועי הלייזר ולאפשר בקרת אורך גל מדויקת, החוקרים פיתחו עיצוב תוך חלל חדשני באמצעות מסנן Vernier מבוסס מיקרו-נקבים, מסנן אופטי המסוגל לבחור תדרי אור ספציפיים. מסנן זה יכול להתאים באופן דינמי את אורך גל הלייזר על פני טווח רחב, מה שהופך אותו למגוון ומתאים למגוון יישומים. עיצוב זה תומך בלייזרים יציבים במצב יחיד עם רוחב קו פנימי של 50 הרץ בלבד.
יש לו גם דיכוי צדדי משמעותי - הלייזר מסוגל לפלוט אור בתדר יחיד ויציב תוך מזעור עוצמתם של תדרים אחרים ("מצבי צד"). זה מבטיח פלט "נקי" ויציב על פני כל הטווח הספקטרלי עבור יישומים בעלי דיוק גבוה.
איור 2: לייזר Er:Si3N4vernier משולב היברידי הפועל בלייזר במצב יחיד. מקור: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji וחב', "לייזר משולב מלא על בסיס ארביום", Nature Photonics (2024). הספק, דיוק, יציבות ורעש נמוך ללייזר סיבי ארביום בקנה מידה שבב יש הספק פלט של יותר מ-10 mW ויחס דיכוי מצב צדדי של יותר מ-70 dB, שהוא טוב יותר ממערכות קונבנציונליות רבות. יש לו גם רוחב קו צר מאוד, מה שאומר שהאור שהוא פולט הוא מאוד טהור ויציב, וזה חשוב ליישומים קוהרנטיים כמו חישה, ג'ירוסקופים, לידר ומטרולוגיה של תדר אופטי. מסנן Vernier מבוסס מיקרו-חור נותן ללייזר כוונון אורך גל רחב של 40 ננומטר בפס C ו-L (טווח אורך הגל המשמש לתקשורת), העולה על לייזרים סיבים קונבנציונליים בכוונון ודורבנים ספקטרליים נמוכים ("דורבנים" הם תדרים לא רצויים. ) תוך שהוא נשאר תואם לתהליכי ייצור מוליכים למחצה הנוכחיים.
איור 3: הדגמה של כוונון פס רחב של אורך גל לייזר. מקור: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji, et al., "לייזר משולב מלא מבוסס ארביום", Nature Photonics (2024). לייזרים מהדור הבא
מזעור ושילוב לייזרים של סיבי ארביום בהתקנים בקנה מידה שבבים עשויים להפחית את העלות הכוללת שלהם, מה שהופך אותם לשימושיים עבור מערכות ניידות ומשולבות מאוד בתחום התקשורת, האבחון הרפואי ואלקטרוניקה צריכה.
איור 4: אפיון רעשי לייזר משולב היברידי לחלוטין ו-EDWL. מקור: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al, "לייזר משולב מלא מבוסס ארביום", Nature Photonics (2024). זה יכול גם להקטין את הטכנולוגיה האופטית עבור מגוון יישומים אחרים, כגון LIDAR, פוטוניקת מיקרוגל, סינתזת תדר אופטי ותקשורת במרחב פנוי. אומר ד"ר יאנג ליו, "אזורי היישום של הלייזר המשולב החדש הזה המסומם בארביום הם כמעט בלתי מוגבלים."
