Una Nueva Era para los Lásers de Erbio
Los láseres innovadores a base de erbio prometen un rendimiento mejorado en varias tecnologías.
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Tabla de contenidos
- Beneficios de la Tecnología Láser Dopada con Erbio
- Desafíos en la Integración del Erbio con la Fotónica
- Avances Recientes en Tecnología Láser
- ¿Cómo Funciona el Nuevo Láser?
- Métricas de Rendimiento del Nuevo Láser
- Ventajas Sobre los Láseres Tradicionales
- Aplicaciones Potenciales
- Direcciones Futuras
- Conclusión
- Fuente original
Los láseres basados en erbio, especialmente los de fibra, juegan un papel importante en varias tecnologías. Son conocidos por proporcionar luz láser estable y clara, lo cual es crucial para aplicaciones como el sensado en fibras, giroscopios, LiDAR (Detección y Medición de Luz) y medición de frecuencias ópticas.
Beneficios de la Tecnología Láser Dopada con Erbio
Estos láseres son preferidos porque producen luz altamente coherente con poco ruido. Esta combinación de características los hace muy valiosos en muchos campos, incluyendo entornos industriales. Los láseres de fibra dopados con erbio (EDFLs) permiten un diseño compacto mientras mantienen un alto rendimiento. Son fáciles de usar ya que no necesitan alineaciones complejas.
Las características únicas del erbio también son beneficiosas. Tienen una respuesta lenta a los cambios, lo que significa que pueden funcionar bien bajo diferentes temperaturas. Además, producen menos ruido de fondo en comparación con otros tipos de láseres. Esto es importante para lograr haces de láser de alta calidad.
Desafíos en la Integración del Erbio con la Fotónica
A pesar de las ventajas, combinar láseres de erbio con circuitos fotónicos ha enfrentado algunas dificultades. Los intentos anteriores de crear láseres de erbio pequeños en un chip no han sido muy exitosos, principalmente porque las líneas láser son demasiado amplias. Muchos han utilizado diferentes materiales como óxido de aluminio y niobato de litio con la esperanza de encontrar un diseño adecuado, pero los resultados mostraron que el rendimiento no se acercaba al de los láseres de fibra.
Avances Recientes en Tecnología Láser
Recientemente, ha habido mejoras en la creación de nuevos tipos de láseres de erbio utilizando circuitos fotónicos integrados. Estos circuitos permiten el desarrollo de láseres pequeños y eficientes en chips. Los últimos diseños integran el erbio directamente en los circuitos, lo que permite un mejor rendimiento y tamaños más pequeños.
Un logro significativo es el desarrollo de un láser de erbio a escala de chip completamente integrado. Este láser puede producir alta potencia y tiene un ancho de línea muy estrecho, lo que lo hace mucho más preciso que los modelos anteriores. En términos simples, esta tecnología permite un láser que es pequeño, poderoso y con características que antes solo estaban disponibles en láseres más grandes.
¿Cómo Funciona el Nuevo Láser?
El nuevo diseño utiliza un sustrato de nitruro de silicio, que es vital para su rendimiento. Este material ayuda a minimizar las pérdidas en el circuito, lo que permite que el láser funcione mejor. La configuración única incluye un filtro de microring que permite ajustar la longitud de onda del láser en un rango de 40 nanómetros. Esta capacidad es esencial para aplicaciones donde se necesita un control preciso sobre la longitud de onda, como en telecomunicaciones y Tecnologías de Sensado.
Métricas de Rendimiento del Nuevo Láser
El rendimiento del nuevo láser basado en erbio ha mostrado resultados prometedores. Logra un ancho de línea intrínseco libre de 50 Hz, lo que significa que mantiene estabilidad en el tiempo y no fluctúa rápidamente. También tiene un ruido de intensidad relativa de -150 dBc a un desfase de 10 MHz. En general, puede alcanzar niveles de potencia de salida de hasta 17 mW, acercándose a lo que ofrecen los láseres de fibra mientras entrega todas las ventajas de un circuito integrado.
La capacidad del láser para sintonizar su longitud de onda amplía su potencial de aplicación. Al cambiar la longitud de onda en un rango significativo, puede adaptarse a diversas necesidades en tiempo real, algo que los láseres de fibra tradicionales no permiten fácilmente.
Ventajas Sobre los Láseres Tradicionales
Diseño Compacto: El nuevo láser es mucho más pequeño que los láseres de fibra tradicionales, facilitando su integración en dispositivos y sistemas.
Alta Potencia y Bajo Ruido: Proporciona alta potencia de salida con poco ruido, lo cual es esencial para aplicaciones de alta precisión.
Sintonización de Longitud de Onda: Este láser puede ajustar su longitud de onda sobre la marcha, permitiendo flexibilidad para diferentes aplicaciones.
Producción Rentable: La tecnología para fabricar estos láseres se está simplificando, lo que puede llevar a costos más bajos en la producción.
Aplicaciones Potenciales
Las capacidades de este nuevo láser de erbio sugieren muchas aplicaciones posibles:
Sistemas LiDAR: Su precisión lo hace adecuado para mediciones de distancia precisas utilizando láseres.
Comunicaciones Ópticas: Este láser puede mejorar el rendimiento de los sistemas de comunicación que requieren fuentes de luz estables y claras.
Tecnologías de Sensado: El bajo ruido y alta estabilidad del láser pueden mejorar la precisión de los sensores usados en diversas industrias.
Mecanizado Láser de Alta Potencia: El nuevo diseño también podría beneficiar procesos de manufactura que requieren cortes detallados y modelado de materiales con láseres.
Direcciones Futuras
De cara al futuro, hay muchas oportunidades para un mayor desarrollo. La tecnología se puede extender para incluir otros iones de tierras raras, lo que permitiría que los láseres funcionen en diferentes longitudes de onda. Esto podría abrir puertas para nuevas aplicaciones y hacer que las tecnologías actuales sean aún más versátiles.
El nitruro de silicio también presenta una buena base para combinarse con otros componentes ópticos. Esto significa que en el futuro, podríamos ver sistemas totalmente integrados que incorporen láseres, amplificadores y otros elementos esenciales juntos en un paquete compacto.
Conclusión
El láser basado en erbio completamente integrado representa un avance considerable en la tecnología láser. Con su tamaño pequeño, alta potencia, bajo ruido y longitud de onda ajustable, tiene el potencial de impactar significativamente diversos campos. A medida que la tecnología mejore, la promesa de estos láseres seguramente conducirá a más innovaciones, simplificando sistemas y mejorando capacidades en numerosas aplicaciones. Con la exploración y desarrollo continuos, el futuro se ve brillante para esta emocionante área de investigación.
Título: A fully hybrid integrated Erbium-based laser
Resumen: Erbium-doped fiber lasers exhibit high coherence and low noise as required for applications in fiber optic sensing, gyroscopes, LiDAR, and optical frequency metrology. Endowing Erbium-based gain in photonic integrated circuits can provide a basis for miniaturizing low-noise fiber lasers to chip-scale form factor, and enable large-volume applications. Yet, while major progress has been made in the last decade on integrated lasers based on silicon photonics with III-V gain media, the integration of Erbium lasers on chip has been compounded by large laser linewidth. Recent advances in photonic integrated circuit-based high-power Erbium-doped amplifiers, make a new class of rare-earth-ion-based lasers possible. Here, we demonstrate a fully integrated chip-scale Erbium laser that achieves high power, narrow linewidth, frequency agility, and the integration of a III-V pump laser. The laser circuit is based on an Erbium-implanted ultralow-loss silicon nitride Si$_3$N$4$ photonic integrated circuit. This device achieves single-mode lasing with a free-running intrinsic linewidth of 50 Hz, a relative intensity noise of $$10 MHz offset, and output power up to 17 mW, approaching the performance of fiber lasers and state-of-the-art semiconductor extended cavity lasers. An intra-cavity microring-based Vernier filter enables wavelength tunability of $>$ 40 nm within the C- and L-bands while attaining side mode suppression ratio (SMSR) of $>$ 70 dB, surpassing legacy fiber lasers in tuning and SMRS performance. This new class of low-noise, tuneable Erbium waveguide laser could find applications in LiDAR, microwave photonics, optical frequency synthesis, and free-space communications. Our approach is extendable to other wavelengths, and more broadly, constitutes a novel way to photonic integrated circuit-based rare-earth-ion-doped lasers.
Autores: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji, Andrea Bancora, Grigory Lihachev, Johann Riemensberger, Rui Ning Wang, Andrey Voloshin, Tobias J. Kippenberg
Última actualización: 2023-05-05 00:00:00
Idioma: English
Fuente URL: https://arxiv.org/abs/2305.03652
Fuente PDF: https://arxiv.org/pdf/2305.03652
Licencia: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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