Een laser op een fotonische chip?

Wetenschappers van de EPFL hebben met succes een erbium-gebaseerde fiberlaser geminiaturiseerd op een fotonische chip. Erbium fiberlasers op chipschaal te kunnen integreren kan schelen in de totale kosten van draagbare en geïntegreerde systemen in telecommunicatie, medische diagnostiek en consumentenelektronica. Het licht is bovendien zuiver en stabiel en dat is belangrijk voor toepassing in bijvoorbeeld gyroscopen, LiDAR en optische frequentiemetrologie.

Fiberlasers gebruiken een optische vezel gedoteerd met zeldzame aarde-elementen als erbium, ytterbium en neodymium als optische versterkingsbron. De lasers zenden stralen ut van hoge kwaliteit, hebben een hoog uitgangsvermogen en zijn efficiënt, onderhoudsarm, duurzaam en meestal kleiner dan gaslasers. Vezellasers zijn ook de ‘gouden standaard’ voor lage faseruis, wat betekent dat hun bundels stabiel blijven in de tijd.

Maar ondanks dat alles is er een groeiende vraag naar miniaturisering van fiberlasers op chipschaal. Vooral erbium-gebaseerde fiberlasers zijn interessant, omdat ze aan alle eisen voldoen om de hoge coherentie en stabiliteit van een laser te behouden. Maar het verkleinen van deze lasers is lastig als ze hun sterke punten willen behouden.

‘laser-on-a-chip’

Wetenschappers onder leiding van dr. Yang Liu en professor Tobias Kippenberg van de EPFL hebben nu de allereerste chip-geïntegreerde erbium-gedoteerde golfgeleiderlaser gebouwd die de prestaties van fiberlasers benadert, door een brede instelbaarheid van de golflengte te combineren met praktische fotonische integratie op chipschaal. De doorbraak is gepubliceerd in Nature Photonics. De ‘laser-on-a chip’ heeft een uitgangsvermogen van meer dan 10 mW en een onderdrukkingsratio (side modus) van meer dan 70 dB, beter dan veel conventionele systemen.

Optische caviteit van een meter

De onderzoekers ontwikkelden hun erbiumlaser op chipschaal met behulp van een geavanceerd fabricageproces. Ze begonnen met de constructie van een ‘on-chip’ optische caviteit (een set spiegels die zorgen voor optische terugkoppeling) met een lengte van een meter, op basis van een ultralaag verliesgevend fotonisch ic van siliciumnitride.

Het team doteerde het circuit vervolgens met erbiumionen met een hoge concentratie om selectief het benodigde actieve versterkingsmedium te creëren. Tot slot integreerden ze het circuit met een III-V halfgeleiderpomplaser om de erbiumionen te exciteren zodat ze licht uitstralen voor de laserstraal.

Vernier-filters

Om de prestaties van de laser te verfijnen en een nauwkeurige regeling van de golflengte te bereiken, hebben de onderzoekers microring-gebaseerde Vernier-filters toegepast. Dit type optische filters selecteert specifieke lichtfrequenties en is met een innovatief ontwerp toegepast in de optische caviteit. De filters zorgen voor dynamische afstemming van de golflengte van de laser over een breed bereik. Het zorgt ook voor een significante onderdrukking van ‘side modi’ – het vermogen van de laser om licht uit te zenden op een enkele, consistente frequentie terwijl de intensiteit van andere frequenties (‘side-modi’) wordt geminimaliseerd. Dit zorgt voor een ‘schone’ en stabiele output over het hele lichtspectrum voor toepassingen met hoge precisie.