Los láseres han revolucionado el mundo desde la década de 1960 y ahora son herramientas indispensables para aplicaciones modernas que van desde la cirugía de vanguardia y la fabricación de precisión hasta la transmisión de datos por fibra óptica.
Pero a medida que aumenta la demanda de aplicaciones láser, también aumentan los desafíos. Por ejemplo, existe un mercado en crecimiento para los láseres de fibra, que ahora se utilizan principalmente en aplicaciones industriales de corte, soldadura y marcado.
Los láseres de fibra utilizan fibras ópticas dopadas con elementos de tierras raras (erbio, iterbio, neodimio, etc.) como fuente de ganancia óptica (la parte que produce la luz láser). Los láseres de fibra emiten haces de alta calidad con alta potencia de salida, alta eficiencia, bajo mantenimiento, durabilidad y, por lo general, son más pequeños que los láseres de gas. Los láseres de fibra también son el "estándar de oro" para el bajo ruido de fase, lo que significa que sus haces pueden ser estables durante largos períodos de tiempo.
A pesar de ello, existe una creciente demanda de miniaturización de láseres de fibra a escala de chip. Los láseres de fibra basados en erbio son de particular interés porque cumplen todos los requisitos para mantener altos la coherencia y la estabilidad del láser. Sin embargo, cómo mantener el rendimiento de los láseres de fibra a escalas pequeñas ha sido un desafío para los láseres de fibra miniaturizados.
Ahora, los científicos dirigidos por el Dr. Yang Liu y el Prof. Tobias Kippenberg en EPFL han fabricado los primeros láseres de guía de ondas dopados con erbio integrados en un chip con un rendimiento cercano al de los láseres de fibra, al tiempo que combinan la utilidad de la capacidad de ajuste de longitudes de onda amplias y la integración fotónica a escala de chip. El estudio fue publicado en Nature Photonics.
Construcción de láseres a escala de chip
Los investigadores desarrollaron láseres de erbio a escala de chip utilizando procesos de fabricación de última generación. Primero construyeron una cavidad óptica de un metro de largo en el chip (un conjunto de espejos que proporcionan retroalimentación óptica) basada en un circuito integrado fotónico de nitruro de silicio con pérdidas ultrabaja.
El Dr. Yang Liu dijo: "A pesar del tamaño compacto del chip, pudimos diseñar la cavidad láser para que tenga un metro de largo gracias a la integración de estos resonadores de microvías, que extienden efectivamente la trayectoria óptica sin agrandar físicamente el dispositivo".
A continuación, el equipo implantó una alta concentración de iones de erbio en el circuito para generar selectivamente el medio de ganancia activa necesario para la emisión láser. Por último, integraron el circuito con un láser bombeado por semiconductores del grupo III-V para excitar los iones de erbio y que emitieran luz y produjeran un haz láser.
Para refinar el rendimiento del láser y lograr un control preciso de la longitud de onda, los investigadores idearon un innovador diseño intracavitario que presenta un filtro microporoso basado en Vernier, un filtro óptico que permite la selección de una frecuencia óptica específica.
Este filtro permite un ajuste dinámico de la longitud de onda del láser en un amplio rango de longitudes de onda, lo que lo hace versátil y adecuado para una amplia variedad de aplicaciones. Este diseño admite láseres monomodo estables con un ancho de línea interno impresionantemente estrecho de solo 50 Hz.
También cuenta con una importante supresión de modo lateral, donde el láser puede emitir luz a una única frecuencia estable mientras minimiza la intensidad de otras frecuencias ("modos laterales"). Esto garantiza una salida "limpia" y estable en todo el rango espectral para aplicaciones de alta precisión.
Imagen óptica de un láser integrado híbrido basado en un circuito integrado fotónico dopado con erbio, que ofrece la coherencia de un láser de fibra y una capacidad de ajuste de frecuencia hasta ahora inalcanzable.
Potencia, precisión, estabilidad y bajo nivel de ruido
El láser de fibra de erbio a escala de chip tiene una potencia de salida de más de 10 mW y una relación de rechazo de modo lateral de más de 70 dB, que es superior a muchos sistemas convencionales.
También tiene un ancho de línea muy estrecho, lo que significa que la luz que emite es muy pura y estable, lo que es importante para aplicaciones coherentes como detección, giroscopios, LIDAR y metrología de frecuencia óptica.
El filtro Vernier basado en microapertura permite que el láser tenga una amplia capacidad de ajuste de longitud de onda de 40 nm tanto en la banda C como en la banda L (el rango de longitud de onda utilizado para telecomunicaciones), superando a los láseres de fibra convencionales tanto en ajuste como en métricas de picos espectrales bajos ("picos" son frecuencias no deseadas), al mismo tiempo que sigue siendo compatible con los procesos actuales de fabricación de semiconductores.
Láseres de próxima generación
La miniaturización e integración de láseres de fibra de erbio en dispositivos a escala de chip reduce su costo general, lo que permite utilizarlos en sistemas portátiles y altamente integrados en telecomunicaciones, diagnósticos médicos y electrónica de consumo.
También puede reducir el tamaño de la tecnología óptica para una variedad de otras aplicaciones, como LIDAR, fotónica de microondas, síntesis de frecuencia óptica y comunicaciones en espacio libre.
