Ikhtisar Laser telah merevolusi dunia sejak tahun 1960an dan kini menjadi alat yang sangat diperlukan dalam aplikasi modern, mulai dari bedah mutakhir dan manufaktur presisi hingga transmisi data serat optik. Namun, seiring dengan meningkatnya permintaan akan aplikasi laser, tantangan juga muncul. Misalnya, pasar laser serat sedang berkembang, dan saat ini digunakan terutama dalam aplikasi pemotongan, pengelasan, dan penandaan industri. Laser serat menggunakan serat optik yang diolah dengan unsur tanah jarang (erbium, ytterbium, neodymium, dll.) sebagai media penguatan optik. Laser serat menghasilkan sinar berkualitas tinggi, daya keluaran tinggi, efisiensi tinggi, biaya perawatan rendah, dan daya tahan, dan umumnya lebih kecil daripada laser gas. Laser serat juga merupakan "standar emas" untuk kebisingan fase rendah, yang berarti sinarnya dapat tetap stabil untuk waktu yang lama. Meskipun demikian, permintaan terhadap miniaturisasi laser serat skala chip semakin meningkat. Laser serat berbasis Erbium menjadi perhatian khusus karena memenuhi semua persyaratan untuk menjaga koherensi dan stabilitas laser yang tinggi. Namun, cara mempertahankan kinerja laser serat dalam skala kecil selalu menjadi tantangan dalam miniaturisasi laser serat.
Sekarang, tim ilmuwan yang dipimpin oleh Dr. Yang Liu dan Profesor Tobias Kippenberg di EPFL telah menciptakan laser pandu gelombang doped erbium terintegrasi chip pertama yang mendekati kinerja laser serat sambil menggabungkan kemampuan penyesuaian panjang gelombang lebar dengan kepraktisan fotonik skala chip. integrasi. Studi ini dipublikasikan di Nature Photonics.
Gambar laser erbium terintegrasi hibrida yang dikemas penuh berdasarkan chip terintegrasi fotonik silikon nitrida, yang memberikan koherensi serat laser dan kemampuan penyesuaian frekuensi yang sebelumnya tidak dapat dicapai. Sumber: Andrea Bancora dan Yang Liu (EPFL).
Membuat laser skala chip
Para peneliti mengembangkan laser erbium skala chip menggunakan proses fabrikasi yang canggih. Mereka pertama kali membangun rongga optik on-chip sepanjang satu meter (satu set cermin yang memberikan umpan balik optik) pada chip terintegrasi fotonik silikon nitrida dengan kerugian sangat rendah. “Meskipun ukuran chipnya kecil, kami dapat merancang rongga laser sepanjang satu meter, berkat integrasi resonator lubang mikro ini, yang secara efektif memperluas jalur optik tanpa memperbesar perangkat secara fisik,” kata Dr. Yang Liu. Tim kemudian menanamkan ion erbium konsentrasi tinggi dalam chip untuk secara selektif menghasilkan media penguatan aktif yang diperlukan untuk penguat. Terakhir, mereka mengintegrasikan sirkuit dengan laser pompa semikonduktor III-V untuk merangsang ion erbium, menyebabkan ion tersebut memancarkan cahaya dan menghasilkan sinar laser.
Gambar 1: Laser Er:Si3N4 terintegrasi hibrida. Sumber: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji dkk., "Laser berbasis erbium terintegrasi sepenuhnya hybrid", Nature Photonics (2024). Untuk menyempurnakan kinerja laser dan memungkinkan kontrol panjang gelombang yang tepat, para peneliti merancang desain intracavity yang inovatif menggunakan filter Vernier berbasis mikropori, yaitu filter optik yang mampu memilih frekuensi cahaya tertentu. Filter ini dapat secara dinamis menyesuaikan panjang gelombang laser pada rentang yang luas, menjadikannya serbaguna dan cocok untuk berbagai aplikasi. Desain ini mendukung laser mode tunggal yang stabil dengan lebar garis intrinsik hanya 50 Hz.
Ia juga memiliki penekanan mode samping yang signifikan - laser mampu memancarkan cahaya pada satu frekuensi stabil sambil meminimalkan intensitas frekuensi lain ("mode samping"). Hal ini memastikan keluaran yang "bersih" dan stabil di seluruh rentang spektral untuk aplikasi presisi tinggi.
Gambar 2: Laser Er:Si3N4vernier terintegrasi hibrida yang beroperasi dalam penguat mode tunggal. Sumber: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji dkk., "Laser berbasis erbium terintegrasi sepenuhnya hybrid," Nature Photonics (2024). Kekuatan, presisi, stabilitas, dan kebisingan rendah Laser serat erbium skala chip memiliki daya keluaran lebih dari 10 mW dan rasio penekanan mode samping lebih dari 70 dB, yang lebih baik daripada banyak sistem konvensional. Ia juga memiliki lebar garis yang sangat sempit, yang berarti cahaya yang dipancarkannya sangat murni dan stabil, yang penting untuk aplikasi koheren seperti penginderaan, giroskop, lidar, dan metrologi frekuensi optik. Filter Vernier berbasis lubang mikro menghasilkan kemampuan penyesuaian panjang gelombang laser sebesar 40 nm pada C-band dan L-band (rentang panjang gelombang yang digunakan untuk telekomunikasi), melampaui laser serat konvensional dalam penyetelan dan taji spektral rendah ("taji" adalah frekuensi yang tidak diinginkan ) namun tetap kompatibel dengan proses manufaktur semikonduktor saat ini.
Gambar 3: Demonstrasi penyetelan broadband panjang gelombang laser. Sumber: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji, dkk., "Laser berbasis erbium terintegrasi sepenuhnya hybrid," Nature Photonics (2024). Laser generasi berikutnya
Miniaturisasi dan integrasi laser serat erbium ke dalam perangkat berskala chip dapat mengurangi biaya keseluruhannya, menjadikannya berguna untuk sistem portabel dan sangat terintegrasi dalam telekomunikasi, diagnostik medis, dan elektronik konsumen.
Gambar 4: Karakterisasi kebisingan laser terintegrasi penuh dan EDWL. Sumber: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji dkk, "Laser berbasis erbium terintegrasi sepenuhnya hybrid," Nature Photonics (2024). Hal ini juga dapat mengurangi teknologi optik untuk berbagai aplikasi lain, seperti LIDAR, fotonik gelombang mikro, sintesis frekuensi optik, dan komunikasi ruang bebas. kata Dr. Yang Liu, "Area penerapan laser terintegrasi baru yang didoping erbium ini hampir tidak terbatas."
