I laser delle dimensioni di un chip potrebbero sostituire i laser a fibra?

Di recente, i ricercatori dell'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) hanno sviluppato un laser a guida d'onda drogato con erbio integrato nel chip, un nuovo tipo di laser le cui prestazioni sono simili a quelle dei laser a fibra, combinando la sintonizzabilità e la praticità dell'integrazione fotonica su scala di chip.
È ben noto che i laser a fibra utilizzano fibre ottiche drogate con elementi di terre rare come mezzo di guadagno. Pertanto, rispetto ai laser a gas come l'anidride carbonica, hanno i vantaggi di un'elevata qualità del fascio, alta potenza, alta efficienza, piccole dimensioni e integrazione perfetta dell'output in fibra e piattaforme di elaborazione flessibili.
E per soddisfare la domanda di laser a fibra su scala di chip, i ricercatori si sono rivolti all'erbio come mezzo di guadagno. I laser a fibra basati sull'erbio sono particolarmente promettenti perché soddisfano i requisiti di mantenimento di elevata coerenza e stabilità. Tuttavia, la miniaturizzazione dei laser a fibra basati sull'erbio è stata a lungo difficile da ottenere a causa della difficoltà di mantenere le loro elevate prestazioni uniche.
A tal fine, i ricercatori hanno prima costruito una cavità ottica on-chip lunga un metro basata su un circuito integrato fotonico in nitruro di silicio a bassissima perdita. Secondo Yang Liu, ricercatore presso il Laboratory of Photonics and Quantum Measurements dell'École Polytechnique Fédérale de Lausanne: Nonostante le dimensioni compatte del chip, siamo stati in grado di progettare la cavità laser a una lunghezza di un metro grazie all'integrazione di questi risonatori micro-ring, che estendono in modo efficiente il percorso ottico senza la necessità di dispositivi amplificatori fisici.
Importante svolta! I laser delle dimensioni di un chip potrebbero sostituire i laser a fibra?
Il team ha quindi impiantato un'alta concentrazione di ioni di erbio nel circuito per generare selettivamente il mezzo di guadagno attivo necessario per il laser. Infine, hanno integrato i circuiti con laser a pompa a semiconduttore III-V per eccitare gli ioni di erbio in modo che potessero emettere luce e produrre un raggio laser.
Per migliorare le prestazioni del laser e consentire un controllo preciso della lunghezza d'onda, i ricercatori hanno ideato un innovativo design intracavità dotato di un filtro Vernier basato su micro-anelli, un filtro che seleziona la luce a una frequenza specifica per migliorare le prestazioni del laser e consentire un controllo preciso della lunghezza d'onda.
Il filtro consente la sintonizzazione dinamica della lunghezza d'onda laser di 40 nm sia nella banda C che L, che supera i laser a fibra convenzionali sia nella sintonizzazione che nelle metriche spurie a basso spettro, mantenendo al contempo la compatibilità con gli attuali processi di produzione di semiconduttori. Il design supporta lasing monomodale stabile con una larghezza di linea intrinseca di 50 Hz.
Con una potenza di uscita superiore a 10 mW e un rapporto di reiezione della modalità laterale superiore a 70 dB, il laser a fibra basato su erbio su scala di chip supera molti laser convenzionali. La loro stretta larghezza di linea consente loro di emettere luce pura e stabile, rendendoli ideali per applicazioni coerenti come rilevamento, giroscopi, LIDAR e metrologia della frequenza ottica.
Ridurre le dimensioni e integrare i laser a fibra di erbio in dispositivi su scala di chip può renderli più accessibili, aprendo nuove applicazioni per sistemi mobili altamente integrati nell'elettronica di consumo, nella diagnostica medica e nelle telecomunicazioni. Potrebbe anche ridurre le tecnologie ottiche in diverse altre applicazioni, tra cui LIDAR, fotonica a microonde, sintesi di frequenza ottica e comunicazioni in spazio libero.