Laser kích thước chip có thể thay thế laser sợi quang không?

Gần đây, các nhà nghiên cứu từ École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) đã phát triển một loại laser dẫn sóng pha tạp erbium tích hợp trên chip, một loại laser mới có hiệu suất gần bằng laser sợi quang, kết hợp khả năng điều chỉnh và tính thực tiễn của tích hợp quang tử quy mô chip.
Người ta đều biết rằng laser sợi quang sử dụng sợi quang pha tạp các nguyên tố đất hiếm làm môi trường khuếch đại. Do đó, so với laser khí như carbon dioxide, chúng có ưu điểm là chất lượng chùm tia cao, công suất cao, hiệu suất cao, kích thước nhỏ và tích hợp liền mạch đầu ra sợi quang và nền tảng xử lý linh hoạt.
Và để đáp ứng nhu cầu về laser sợi quang quy mô chip, các nhà nghiên cứu đã chuyển sang erbi làm môi trường khuếch đại. Laser sợi quang dựa trên erbi đặc biệt hứa hẹn vì chúng đáp ứng các yêu cầu duy trì tính nhất quán và ổn định cao. Tuy nhiên, việc thu nhỏ laser sợi quang dựa trên erbi từ lâu đã khó đạt được do khó duy trì hiệu suất cao độc đáo của chúng.
Để đạt được mục đích này, các nhà nghiên cứu đầu tiên đã chế tạo một khoang quang học trên chip dài một mét dựa trên mạch tích hợp quang tử silicon nitride có tổn thất cực thấp. Theo Yang Liu, một nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Photonic và Đo lường Lượng tử tại École Polytechnique Fédérale de Lausanne: Mặc dù kích thước chip nhỏ gọn, chúng tôi vẫn có thể thiết kế khoang laser dài một mét nhờ tích hợp các bộ cộng hưởng vòng siêu nhỏ này, giúp mở rộng hiệu quả đường dẫn quang mà không cần đến các thiết bị khuếch đại vật lý.
Đột phá lớn! Laser kích thước chip có thể thay thế laser sợi quang?
Sau đó, nhóm nghiên cứu cấy một nồng độ cao các ion erbium vào mạch để tạo ra môi trường tăng cường hoạt động cần thiết cho laser. Cuối cùng, họ tích hợp các mạch với laser bơm bán dẫn III-V để kích thích các ion erbium để chúng có thể phát ra ánh sáng và tạo ra chùm tia laser.
Để cải thiện hiệu suất của tia laser và cho phép kiểm soát bước sóng chính xác, các nhà nghiên cứu đã thiết kế một thiết kế khoang sáng tạo có bộ lọc vernier dạng vòng siêu nhỏ, một bộ lọc chọn ánh sáng ở tần số cụ thể để cải thiện hiệu suất của tia laser và cho phép kiểm soát bước sóng chính xác.
Bộ lọc cho phép điều chỉnh động bước sóng laser 40 nm ở cả băng tần C và L, vượt trội hơn laser sợi quang thông thường về cả điều chỉnh và số liệu nhiễu phổ thấp, đồng thời vẫn duy trì khả năng tương thích với các quy trình sản xuất chất bán dẫn hiện tại. Thiết kế hỗ trợ laser chế độ đơn ổn định với độ rộng đường truyền nội tại là 50 Hz.
Với công suất đầu ra vượt quá 10 mW và tỷ lệ loại bỏ chế độ phụ lớn hơn 70 dB, laser sợi quang dựa trên erbium quy mô chip vượt trội hơn nhiều loại laser thông thường. Độ rộng vạch hẹp của chúng cho phép chúng phát ra ánh sáng tinh khiết và ổn định, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các ứng dụng mạch lạc như cảm biến, con quay hồi chuyển, LIDAR và đo tần số quang học.
Việc thu nhỏ và tích hợp laser sợi erbium vào các thiết bị có kích thước chip có thể khiến chúng trở nên hợp túi tiền hơn, mở ra các ứng dụng mới cho các hệ thống di động tích hợp cao trong thiết bị điện tử tiêu dùng, chẩn đoán y tế và viễn thông. Nó cũng có thể thu nhỏ công nghệ quang học trong một số ứng dụng khác, bao gồm LIDAR, photonic vi sóng, tổng hợp tần số quang học và truyền thông không gian tự do.