Cientistas da EPFL miniaturizaram com sucesso um poderoso laser biber baseado em érbio em um chip fotônico de nitreto de silício. Como os lasers de fibra típicos baseados em érbio são grandes e difíceis de reduzir, a inovação promete grandes avanços nas comunicações ópticas e nas tecnologias de detecção.
Os lasers revolucionaram o mundo desde a década de 60 e agora são indispensáveis em aplicações modernas, desde cirurgias de ponta e fabricação precisa até transmissão de dados através de fibras ópticas.
Mas à medida que cresce a necessidade de aplicações baseadas em laser, crescem também os desafios. Por exemplo, há um mercado crescente para lasers de fibra, que são atualmente usados em aplicações industriais de corte, soldagem e marcação.
Os lasers de fibra usam uma fibra óptica dopada com elementos de terras raras (érbio, itérbio, neodímio etc.) como fonte de ganho óptico (a parte que produz a luz do laser). Eles emitem feixes de alta qualidade, têm alta potência e são eficientes, exigem pouca manutenção, são duráveis e geralmente são menores que os lasers a gás. Os lasers de fibra também são o “padrão ouro” para baixo ruído de fase, o que significa que seus feixes permanecem estáveis ao longo do tempo.
Mas, apesar de tudo isso, há uma demanda crescente pela miniaturização de lasers de fibra em escala de chip. Os lasers de fibra à base de érbio são especialmente interessantes, pois atendem a todos os requisitos para manter a alta coerência e estabilidade de um laser. Mas miniaturizá-los tem enfrentado desafios na manutenção do seu desempenho em pequenas escalas.
Agora, cientistas liderados pelo Dr. Yang Liu e pelo professor Tobias Kippenberg da EPFL construíram o primeiro laser de guia de onda dopado com érbio integrado em chip que se aproxima do desempenho dos lasers baseados em fibra, combinando ajuste de amplo comprimento de onda com a praticidade da integração fotônica em escala de chip. . A descoberta foi publicada em Fotônica da Natureza.
As áreas de aplicação desta nova classe de lasers integrados dopados com érbio são virtualmente ilimitadas.
Yang Liu, o primeiro autor do estudo.
Construindo um laser em escala de chip
Os pesquisadores desenvolveram seu laser de érbio em escala de chip usando um processo de fabricação de última geração. Eles começaram construindo uma cavidade óptica no chip com um metro de comprimento (um conjunto de espelhos que fornecem feedback óptico) baseada em um circuito integrado fotônico de nitreto de silício de perda ultrabaixa.
“Fomos capazes de projetar a cavidade do laser para ter comprimento em escala de metro, apesar do tamanho compacto do chip, graças à integração desses ressonadores de microanel que estendem efetivamente o caminho óptico sem ampliar fisicamente o dispositivo”, diz o Dr.
A equipe então implantou o circuito com íons de érbio de alta concentração para criar seletivamente o meio de ganho ativo necessário para o laser. Finalmente, eles integraram o circuito com uma bomba laser semicondutora III-V para excitar os íons de érbio e permitir que emitam luz e produzam o feixe de laser.
Para refinar o desempenho do laser e obter controle preciso do comprimento de onda, os pesquisadores desenvolveram um design intra-cavitário inovador com filtros Vernier baseados em microanel, um tipo de filtro óptico que pode selecionar frequências específicas de luz.
Os filtros permitem o ajuste dinâmico do comprimento de onda do laser em uma ampla faixa, tornando-o versátil e utilizável em diversas aplicações. Este design suporta laser monomodo estável com uma largura de linha intrínseca impressionantemente estreita de apenas 50 Hz.
Ele também permite uma supressão significativa do modo lateral – a capacidade do laser de emitir luz em uma frequência única e consistente enquanto minimiza a intensidade de outras frequências (‘modos laterais’). Isto garante uma saída “limpa” e estável em todo o espectro de luz para aplicações de alta precisão.
Potência, precisão, estabilidade e baixo ruído
O laser de fibra baseado em érbio em escala de chip apresenta potência de saída superior a 10 mW e uma taxa de supressão de modo lateral superior a 70 dB, superando muitos sistemas convencionais.
Ele também possui uma largura de linha muito estreita, o que significa que a luz que emite é muito pura e estável, o que é importante para aplicações coerentes, como detecção, giroscópios, LiDAR e metrologia de frequência óptica.
O filtro Vernier baseado em microanel fornece ao laser ajuste de comprimento de onda amplo em 40 nm nas bandas C e L (faixas de comprimentos de onda usadas em telecomunicações), superando os lasers de fibra legados tanto em sintonia quanto em métricas de estímulos espectrais baixos (“esporas” são indesejadas frequências), permanecendo compatível com os processos atuais de fabricação de semicondutores.
Lasers de última geração
Miniaturizar e integrar lasers de fibra de érbio em dispositivos em escala de chip pode reduzir seus custos gerais, tornando-os acessíveis para sistemas portáteis e altamente integrados em telecomunicações, diagnósticos médicos e eletrônicos de consumo.
Ele também pode reduzir tecnologias ópticas em várias outras aplicações, como LiDAR, fotônica de micro-ondas, síntese de frequência óptica e comunicações em espaço livre.
“As áreas de aplicação dessa nova classe de lasers integrados dopados com érbio são virtualmente ilimitadas”, diz Liu.
O spin-off do laboratório, EDWATEC SA é um fabricante de dispositivos integrados que possa agora oferecem dispositivos baseados em circuitos integrados fotônicos dopados com íons de terras raras, incluindo amplificadores e lasers de alto desempenho.
Referências
Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji, Andrea Bancora, Grigory Lihachev, Johann Riemensberger, Rui Ning Wang, Andrey Voloshin, Tobias J. Kippenberg. Um laser baseado em Erbium integrado totalmente híbrido. Nature Photonics 10 de junho de 2024. DOI: 10.1038/s41566’024 -01454-7