ภาพรวม เลเซอร์ได้ปฏิวัติโลกมาตั้งแต่ปี 1960 และปัจจุบันเป็นเครื่องมือที่ขาดไม่ได้ในการใช้งานสมัยใหม่ ตั้งแต่การผ่าตัดที่ล้ำสมัยและการผลิตที่มีความแม่นยำ ไปจนถึงการส่งข้อมูลไฟเบอร์ออปติก อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความต้องการใช้งานเลเซอร์เพิ่มมากขึ้น ความท้าทายก็เกิดขึ้นเช่นกัน ตัวอย่างเช่น ตลาดสำหรับไฟเบอร์เลเซอร์กำลังขยายตัว และปัจจุบันส่วนใหญ่ใช้ในอุตสาหกรรมการตัด การเชื่อม และการทำเครื่องหมาย ไฟเบอร์เลเซอร์ใช้เส้นใยนำแสงเจือด้วยธาตุหายาก (เออร์เบียม อิตเทอร์เบียม นีโอไดเมียม ฯลฯ) เป็นสื่อรับแสง ไฟเบอร์เลเซอร์ผลิตลำแสงคุณภาพสูง กำลังขับสูง ประสิทธิภาพสูง ค่าบำรุงรักษาต่ำ และความทนทาน และโดยทั่วไปจะมีขนาดเล็กกว่าเลเซอร์แก๊ส ไฟเบอร์เลเซอร์ยังเป็น "มาตรฐานทองคำ" สำหรับสัญญาณรบกวนเฟสต่ำ ซึ่งหมายความว่าลำแสงสามารถคงที่ได้เป็นเวลานาน อย่างไรก็ตาม มีความต้องการเพิ่มขึ้นสำหรับการย่อขนาดของเลเซอร์ไฟเบอร์ขนาดชิป ไฟเบอร์เลเซอร์ที่ใช้เออร์เบียมเป็นที่สนใจเป็นพิเศษ เนื่องจากมีคุณสมบัติตรงตามข้อกำหนดทั้งหมดในการรักษาความสอดคล้องและความเสถียรสูงของเลเซอร์ อย่างไรก็ตาม วิธีการรักษาประสิทธิภาพของไฟเบอร์เลเซอร์ในขนาดเล็กถือเป็นความท้าทายในการย่อขนาดไฟเบอร์เลเซอร์มาโดยตลอด
ขณะนี้ ทีมนักวิทยาศาสตร์ที่นำโดย Dr. Yang Liu และศาสตราจารย์ Tobias Kippenberg จาก EPFL ได้สร้างเลเซอร์นำคลื่นเจือด้วยเออร์เบียมที่รวมชิปตัวแรกเข้าด้วยกัน ซึ่งเข้าใกล้ประสิทธิภาพของเลเซอร์ไฟเบอร์ในขณะเดียวกันก็รวมความสามารถในการปรับความยาวคลื่นกว้างเข้ากับการปฏิบัติจริงของโฟโตนิกระดับชิป บูรณาการ การศึกษานี้ตีพิมพ์ใน Nature Photonics
รูปภาพของเลเซอร์เออร์เบียมแบบบูรณาการแบบไฮบริดที่บรรจุหีบห่อเต็มรูปแบบโดยใช้ชิปรวมโฟโตนิกซิลิคอนไนไตรด์ ซึ่งให้การเชื่อมโยงกันของไฟเบอร์เลเซอร์และการปรับความถี่ที่ไม่สามารถบรรลุได้ก่อนหน้านี้ ที่มา: Andrea Bancora และ Yang Liu (EPFL)
การสร้างเลเซอร์ระดับชิป
นักวิจัยได้พัฒนาเลเซอร์เออร์เบียมขนาดชิปโดยใช้กระบวนการผลิตที่ล้ำสมัย ขั้นแรกพวกเขาสร้างช่องแสงบนชิปยาวหนึ่งเมตร (ชุดกระจกที่ให้ผลตอบรับทางแสง) บนชิปรวมโฟโตนิกซิลิคอนไนไตรด์ที่มีการสูญเสียต่ำเป็นพิเศษ "แม้ว่าชิปจะมีขนาดเล็ก แต่เราก็สามารถออกแบบช่องเลเซอร์ให้มีความยาว 1 เมตรได้ ต้องขอบคุณการรวมตัวสะท้อนเสียงขนาดเล็กเหล่านี้ ซึ่งขยายเส้นทางแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยไม่ต้องขยายอุปกรณ์ทางกายภาพ" ดร. หยางหลิว. จากนั้นทีมงานได้ปลูกฝังไอออนเออร์เบียมที่มีความเข้มข้นสูงไว้ในชิปเพื่อคัดเลือกสร้างตัวกลางที่ได้รับซึ่งจำเป็นสำหรับการเลเซอร์ ในที่สุด พวกเขารวมวงจรเข้ากับเลเซอร์ปั๊มเซมิคอนดักเตอร์ III-V เพื่อกระตุ้นไอออนเออร์เบียม ทำให้พวกมันเปล่งแสงและสร้างลำแสงเลเซอร์
รูปที่ 1: เลเซอร์ Er:Si3N4 ในตัวแบบไฮบริด ที่มา: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji และคณะ, "เลเซอร์ที่ใช้เออร์เบียมแบบผสมผสานเต็มรูปแบบ", Nature Photonics (2024) เพื่อปรับแต่งประสิทธิภาพของเลเซอร์และควบคุมความยาวคลื่นได้อย่างแม่นยำ นักวิจัยได้คิดค้นการออกแบบอินทราคาวิตีที่เป็นนวัตกรรมใหม่โดยใช้ตัวกรองเวอร์เนียแบบไมโครพอร์ ซึ่งเป็นตัวกรองแสงที่สามารถเลือกความถี่แสงเฉพาะได้ ตัวกรองนี้สามารถปรับความยาวคลื่นเลเซอร์แบบไดนามิกในช่วงกว้าง ทำให้มีความหลากหลายและเหมาะสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย การออกแบบนี้รองรับเลเซอร์โหมดเดี่ยวที่เสถียรโดยมีเส้นตรงที่แท้จริงเพียง 50 Hz
นอกจากนี้ยังมีการปราบปรามโหมดด้านข้างอย่างมีนัยสำคัญ - เลเซอร์สามารถปล่อยแสงที่ความถี่เดียวที่เสถียรในขณะที่ลดความเข้มของความถี่อื่นๆ ("โหมดด้านข้าง") ช่วยให้มั่นใจได้ว่าเอาต์พุต "สะอาด" และเสถียรตลอดช่วงสเปกตรัมทั้งหมดสำหรับการใช้งานที่มีความแม่นยำสูง
รูปที่ 2: เลเซอร์ Er:Si3N4vernier ในตัวแบบไฮบริดที่ทำงานในโหมดเลเซอร์เดี่ยว ที่มา: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al., "เลเซอร์ที่ใช้เออร์เบียมแบบผสมผสานเต็มรูปแบบ" Nature Photonics (2024) กำลัง ความแม่นยำ ความเสถียร และสัญญาณรบกวนต่ำ เลเซอร์ไฟเบอร์เออร์เบียมระดับชิปมีกำลังเอาต์พุตมากกว่า 10 mW และอัตราส่วนปราบปรามโหมดด้านข้างมากกว่า 70 dB ซึ่งดีกว่าระบบทั่วไปหลายตัว นอกจากนี้ยังมีเส้นตรงที่แคบมาก ซึ่งหมายความว่าแสงที่ปล่อยออกมานั้นบริสุทธิ์และเสถียรมาก ซึ่งมีความสำคัญสำหรับการใช้งานที่สอดคล้องกัน เช่น การตรวจจับ ไจโรสโคป ลิดาร์ และมาตรวิทยาความถี่แสง ฟิลเตอร์ Vernier แบบไมโครโฮลช่วยให้สามารถปรับความยาวคลื่นเลเซอร์กว้างได้ 40 นาโนเมตรในแถบ C และ L-band (ช่วงความยาวคลื่นที่ใช้สำหรับการสื่อสารโทรคมนาคม) เหนือกว่าไฟเบอร์เลเซอร์ทั่วไปในการปรับจูนและเดือยสเปกตรัมต่ำ ("เดือย" เป็นความถี่ที่ไม่ต้องการ) ) ในขณะที่ยังคงเข้ากันได้กับกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ในปัจจุบัน
รูปที่ 3: การสาธิตการปรับความยาวคลื่นเลเซอร์แบบบรอดแบนด์ ที่มา: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji และคณะ "เลเซอร์ที่ใช้เออร์เบียมแบบผสมผสานเต็มรูปแบบ" Nature Photonics (2024) เลเซอร์ยุคต่อไป
การย่อขนาดและการรวมเลเซอร์ไฟเบอร์เออร์เบียมเข้ากับอุปกรณ์ขนาดชิปสามารถลดต้นทุนโดยรวมได้ ทำให้มีประโยชน์สำหรับระบบพกพาที่มีการบูรณาการในระดับสูงในด้านโทรคมนาคม การวินิจฉัยทางการแพทย์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค
รูปที่ 4: การแสดงลักษณะเฉพาะของสัญญาณรบกวนเลเซอร์แบบไฮบริดเต็มรูปแบบและ EDWL ที่มา: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al, "เลเซอร์ที่ใช้เออร์เบียมแบบผสมผสานเต็มรูปแบบ" Nature Photonics (2024) นอกจากนี้ยังสามารถลดขนาดเทคโนโลยีออพติคัลลงสำหรับการใช้งานอื่นๆ ที่หลากหลาย เช่น LIDAR, โฟโตนิกไมโครเวฟ, การสังเคราะห์ความถี่แสง และการสื่อสารในอวกาศ ดร. หยาง หลิว กล่าวว่า "พื้นที่การใช้งานสำหรับเลเซอร์บูรณาการที่เจือด้วยเออร์เบียมใหม่นี้แทบจะไร้ขีดจำกัด"
