Übersicht Laser haben die Welt seit den 1960er Jahren revolutioniert und sind heute ein unverzichtbares Werkzeug in modernen Anwendungen, von der Spitzenchirurgie und Präzisionsfertigung bis hin zur faseroptischen Datenübertragung. Mit der wachsenden Nachfrage nach Laseranwendungen ergeben sich jedoch auch Herausforderungen. Beispielsweise wächst der Markt für Faserlaser, und sie werden derzeit hauptsächlich in industriellen Schneid-, Schweiß- und Markierungsanwendungen eingesetzt. Faserlaser verwenden mit Seltenerdelementen (Erbium, Ytterbium, Neodym usw.) dotierte Glasfasern als optisches Verstärkungsmedium. Faserlaser erzeugen hochwertige Strahlen, hohe Ausgangsleistung, hohe Effizienz, niedrige Wartungskosten und Haltbarkeit und sind im Allgemeinen kleiner als Gaslaser. Faserlaser sind auch der „Goldstandard“ für geringes Phasenrauschen, was bedeutet, dass ihre Strahlen lange Zeit stabil bleiben können. Trotzdem besteht eine wachsende Nachfrage nach Miniaturisierung von Faserlasern im Chip-Maßstab. Erbiumbasierte Faserlaser sind von besonderem Interesse, da sie alle Anforderungen zur Aufrechterhaltung einer hohen Kohärenz und Stabilität des Lasers erfüllen. Allerdings war es bei der Miniaturisierung von Faserlasern schon immer eine Herausforderung, die Leistungsfähigkeit von Faserlasern im kleinen Maßstab aufrechtzuerhalten.
Nun hat ein Forscherteam unter der Leitung von Dr. Yang Liu und Professor Tobias Kippenberg an der EPFL den ersten chipintegrierten Erbium-dotierten Wellenleiterlaser entwickelt, der an die Leistung von Faserlasern heranreicht und dabei eine breite Wellenlängenabstimmung mit der Praktikabilität der photonischen Integration auf Chipebene kombiniert. Die Studie wurde in Nature Photonics veröffentlicht.
Bild eines vollständig verpackten hybridintegrierten Erbiumlasers auf Basis eines photonischen Siliziumnitrid-Chips, der Faserlaserkohärenz und bisher unerreichte Frequenzabstimmung bietet. Quelle: Andrea Bancora und Yang Liu (EPFL).
Herstellung eines Chip-Scale-Lasers
Die Forscher entwickelten einen Erbiumlaser in Chipgröße unter Verwendung modernster Fertigungsverfahren. Zunächst bauten sie auf einem ultra-verlustarmen photonischen Siliziumnitrid-Chip eine ein Meter lange optische Kavität (ein Satz Spiegel, die optische Rückkopplung liefern) auf den Chip. „Trotz der geringen Größe des Chips konnten wir die Laserkavität dank der Integration dieser Mikrolochresonatoren, die den optischen Weg effektiv verlängern, ohne das Gerät physisch zu vergrößern, auf eine Länge von einem Meter konstruieren“, sagte Dr. Yang Liu. Anschließend implantierte das Team eine hohe Konzentration von Erbiumionen in den Chip, um gezielt das für die Laserwirkung erforderliche aktive Verstärkungsmedium zu erzeugen. Schließlich integrierten sie die Schaltung mit einem III-V-Halbleiter-Pumplaser, um die Erbiumionen anzuregen, sodass sie Licht aussenden und einen Laserstrahl erzeugen.
Abbildung 1: Hybrid integrierter Er:Si3N4-Laser. Quelle: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al., „Ein vollständig hybrid integrierter Erbium-basierter Laser“, Nature Photonics (2024). Um die Leistung des Lasers zu verbessern und eine präzise Wellenlängensteuerung zu ermöglichen, entwickelten die Forscher ein innovatives Intracavity-Design mit einem auf Mikroporen basierenden Vernier-Filter, einem optischen Filter, der bestimmte Lichtfrequenzen auswählen kann. Dieser Filter kann die Laserwellenlänge über einen weiten Bereich dynamisch anpassen, was ihn vielseitig und für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet macht. Dieses Design unterstützt stabile Einmodenlaser mit einer intrinsischen Linienbreite von nur 50 Hz.
Außerdem verfügt er über eine signifikante Nebenmodusunterdrückung - der Laser kann Licht mit einer einzigen, stabilen Frequenz aussenden und gleichzeitig die Intensität anderer Frequenzen („Nebenmodi“) minimieren. Dies gewährleistet eine „saubere“ und stabile Ausgabe über den gesamten Spektralbereich für hochpräzise Anwendungen.
Abbildung 2: Hybrid integrierter Er:Si3N4-Vernier-Laser im Singlemode-Laserbetrieb. Quelle: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al., „Ein voll hybrid integrierter Erbium-basierter Laser“, Nature Photonics (2024). Leistung, Präzision, Stabilität und geringes Rauschen Der Chip-Scale-Erbium-Faserlaser hat eine Ausgangsleistung von mehr als 10 mW und ein Seitenmodus-Unterdrückungsverhältnis von mehr als 70 dB, was besser ist als bei vielen herkömmlichen Systemen. Er hat außerdem eine sehr schmale Linienbreite, was bedeutet, dass das von ihm emittierte Licht sehr rein und stabil ist, was für kohärente Anwendungen wie Sensorik, Gyroskope, Lidar und optische Frequenzmesstechnik wichtig ist. Der auf Mikrolöchern basierende Vernier-Filter verleiht dem Laser eine breite Wellenlängenabstimmung von 40 nm im C-Band und L-Band (der für die Telekommunikation verwendete Wellenlängenbereich) und übertrifft damit herkömmliche Faserlaser in der Abstimmung und bei geringen spektralen Störungen („Spurs“ sind unerwünschte Frequenzen), während er gleichzeitig mit den aktuellen Halbleiterherstellungsprozessen kompatibel bleibt.
Abbildung 3: Demonstration der breitbandigen Abstimmung der Laserwellenlänge. Quelle: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji, et al., „Ein vollständig hybrid integrierter Erbium-basierter Laser“, Nature Photonics (2024). Laser der nächsten Generation
Durch die Miniaturisierung und Integration von Erbium-Faserlasern in Geräte im Chipmaßstab könnten deren Gesamtkosten gesenkt und sie für tragbare, hochintegrierte Systeme in der Telekommunikation, der medizinischen Diagnostik und der Unterhaltungselektronik nützlich werden.
Abbildung 4: Vollständig hybrid integrierte Laserrauschcharakterisierung und EDWL. Quelle: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al., „Ein vollständig hybrid integrierter Erbium-basierter Laser“, Nature Photonics (2024). Es könnte auch die optische Technologie für eine Vielzahl anderer Anwendungen wie LIDAR, Mikrowellenphotonik, optische Frequenzsynthese und Freiraumkommunikation verkleinern. Dr. Yang Liu sagt: „Die Anwendungsbereiche für diesen neuen Erbium-dotierten integrierten Laser sind praktisch unbegrenzt.“
