نظرة عامة لقد أحدث الليزر ثورة في العالم منذ الستينيات، وهو الآن أداة لا غنى عنها في التطبيقات الحديثة، بدءًا من الجراحة المتطورة والتصنيع الدقيق وحتى نقل البيانات عبر الألياف الضوئية. ومع ذلك، مع تزايد الطلب على تطبيقات الليزر، تظهر التحديات أيضًا. على سبيل المثال، يتوسع سوق ألياف الليزر، ويتم استخدامها حاليًا بشكل رئيسي في تطبيقات القطع واللحام ووضع العلامات الصناعية. تستخدم ليزرات الألياف أليافًا ضوئية مشبعة بعناصر أرضية نادرة (الإربيوم، والإيتربيوم، والنيوديميوم، وما إلى ذلك) كوسيلة للكسب البصري. تنتج ليزرات الألياف أشعة عالية الجودة، وطاقة إنتاجية عالية، وكفاءة عالية، وتكاليف صيانة منخفضة، ومتانة، وتكون بشكل عام أصغر من ليزرات الغاز. تعتبر ليزرات الألياف أيضًا "المعيار الذهبي" للضوضاء منخفضة الطور، مما يعني أن حزمها يمكن أن تظل مستقرة لفترة طويلة. على الرغم من ذلك، هناك طلب متزايد على تصغير ليزر الألياف على نطاق الرقاقة. تعتبر ليزرات الألياف القائمة على الإربيوم ذات أهمية خاصة لأنها تلبي جميع المتطلبات للحفاظ على تماسك واستقرار الليزر العالي. ومع ذلك، فإن كيفية الحفاظ على أداء ألياف الليزر على نطاق صغير كانت دائمًا تحديًا لتصغير ألياف الليزر.
الآن، قام فريق من العلماء بقيادة الدكتور يانغ ليو والبروفيسور توبياس كيبنبرغ في EPFL بإنشاء أول ليزر دليل موجي مدمج بالشريحة ومطعم بالإربيوم والذي يقترب من أداء ليزر الألياف مع الجمع بين قابلية ضبط الطول الموجي الواسع والتطبيق العملي للضوئيات الضوئية على نطاق الرقاقة. اندماج. ونشرت الدراسة في مجلة Nature Photonics.
صورة ليزر الإربيوم المتكامل الهجين المعبأ بالكامل استنادًا إلى شريحة فوتونية مدمجة من نيتريد السيليكون، والتي توفر تماسك ليزر الألياف وضبط التردد الذي لم يكن من الممكن تحقيقه سابقًا. المصدر: أندريا بانكورا ويانغ ليو (EPFL).
تصنيع ليزر على نطاق الرقاقة
قام الباحثون بتطوير ليزر الإربيوم على نطاق الرقاقة باستخدام عمليات التصنيع الحديثة. قاموا أولاً ببناء تجويف بصري على رقاقة بطول متر واحد (مجموعة من المرايا التي توفر ردود فعل بصرية) على شريحة فوتونية متكاملة من نيتريد السيليكون منخفضة الفقد. وقال الدكتور "على الرغم من صغر حجم الشريحة، فقد تمكنا من تصميم تجويف الليزر بطول متر واحد، وذلك بفضل دمج هذه الرنانات ذات الفتحات الدقيقة، والتي تعمل على توسيع المسار البصري بشكل فعال دون توسيع الجهاز فعليًا". يانغ ليو. قام الفريق بعد ذلك بزرع تركيز عالٍ من أيونات الإربيوم في الشريحة لإنتاج وسط الكسب النشط المطلوب لليزر بشكل انتقائي. وأخيرًا، قاموا بدمج الدائرة مع مضخة ليزر من أشباه الموصلات III-V لإثارة أيونات الإربيوم، مما يجعلها تبعث الضوء وتنتج شعاع ليزر.
الشكل 1: ليزر Er:Si3N4 الهجين المتكامل. المصدر: يانغ ليو، زيرو تشيو، زينرو جي وآخرون، "ليزر هجين متكامل قائم على الإربيوم"، Nature Photonics (2024). لتحسين أداء الليزر وتمكين التحكم الدقيق في الطول الموجي، ابتكر الباحثون تصميمًا مبتكرًا داخل التجويف باستخدام مرشح Vernier القائم على المسام الصغيرة، وهو مرشح بصري قادر على اختيار ترددات ضوئية معينة. يمكن لهذا الفلتر ضبط الطول الموجي لليزر ديناميكيًا على نطاق واسع، مما يجعله متعدد الاستخدامات ومناسبًا لمجموعة متنوعة من التطبيقات. يدعم هذا التصميم أشعة الليزر أحادية الوضع المستقرة مع عرض خط جوهري يبلغ 50 هرتز فقط.
كما أن لديها قمعًا كبيرًا للوضع الجانبي - فالليزر قادر على إصدار الضوء بتردد واحد ثابت مع تقليل شدة الترددات الأخرى ("الأوضاع الجانبية"). وهذا يضمن إخراجًا "نظيفًا" ومستقرًا عبر النطاق الطيفي بأكمله للتطبيقات عالية الدقة.
الشكل 2: ليزر Er:Si3N4vernier المتكامل الذي يعمل بالليزر أحادي الوضع. المصدر: يانغ ليو، زيرو تشيو، شينرو جي وآخرون، "ليزر هجين متكامل قائم على الإربيوم"، Nature Photonics (2024). القوة والدقة والاستقرار والضوضاء المنخفضة يتمتع ليزر ألياف الإربيوم على نطاق الرقاقة بقدرة خرج تزيد عن 10 ميجاوات ونسبة إخماد للوضع الجانبي تزيد عن 70 ديسيبل، وهو أفضل من العديد من الأنظمة التقليدية. كما أن لديها عرض خطي ضيق للغاية، مما يعني أن الضوء الذي تنبعث منه نقي للغاية ومستقر، وهو أمر مهم للتطبيقات المتماسكة مثل الاستشعار، والجيروسكوبات، والليدار، وقياس التردد البصري. يوفر مرشح Vernier القائم على الثقوب الدقيقة إمكانية ضبط الطول الموجي لليزر بمقدار 40 نانومتر في النطاق C والنطاق L (نطاق الطول الموجي المستخدم للاتصالات)، متجاوزًا ليزر الألياف التقليدية في الضبط والمهمازات الطيفية المنخفضة ("المهمازات" هي ترددات غير مرغوب فيها ) مع الحفاظ على التوافق مع عمليات تصنيع أشباه الموصلات الحالية.
الشكل 3: عرض ضبط النطاق العريض لطول موجة الليزر. المصدر: يانغ ليو، زيرو تشيو، زينرو جي، وآخرون، "ليزر هجين متكامل قائم على الإربيوم"، Nature Photonics (2024). الليزر من الجيل التالي
إن تصغير ودمج ليزر ألياف الإربيوم في أجهزة على نطاق الرقائق يمكن أن يقلل من تكلفتها الإجمالية، مما يجعلها مفيدة للأنظمة المحمولة والمتكاملة للغاية في الاتصالات السلكية واللاسلكية والتشخيص الطبي والإلكترونيات الاستهلاكية.
الشكل 4: توصيف ضوضاء الليزر المتكامل الهجين بالكامل وEDWL. المصدر: يانغ ليو، زيرو تشيو، زينرو جي وآخرون، "ليزر هجين متكامل قائم على الإربيوم"، Nature Photonics (2024). ويمكنه أيضًا تقليص التكنولوجيا البصرية لمجموعة متنوعة من التطبيقات الأخرى، مثل LIDAR، والضوئيات الميكروويفية، وتوليف التردد البصري، واتصالات الفضاء الحر. يقول الدكتور يانغ ليو، "إن مجالات تطبيق هذا الليزر المدمج الجديد المخدر بالإربيوم لا حدود لها تقريبًا."
