チップサイズのレーザーがファイバーレーザーに取って代わる可能性はあるか？

最近、ローザンヌ連邦工科大学（EPFL）の研究者らは、チップ統合型エルビウム添加導波路レーザーを開発しました。これは、調整可能性とチップ規模のフォトニック統合の実用性を兼ね備え、ファイバーレーザーに近い性能を持つ新しいタイプのレーザーです。
ファイバーレーザーは、利得媒体として希土類元素を添加した光ファイバーを使用することはよく知られています。そのため、二酸化炭素などのガスレーザーと比較して、ビーム品質が高く、出力が高く、効率が高く、サイズが小さく、ファイバー出力と柔軟な処理プラットフォームがシームレスに統合されるなどの利点があります。
そして、チップスケールのファイバーレーザーの需要を満たすために、研究者は利得媒体としてエルビウムに注目しました。エルビウムベースのファイバーレーザーは、高いコヒーレンスと安定性を維持するという要件を満たすため、特に有望です。しかし、エルビウムベースのファイバーレーザーの小型化は、その独自の高性能を維持するのが難しいため、長い間実現が困難でした。
この目的のために、研究者らはまず、超低損失シリコン窒化物フォトニック集積回路をベースにした 1 メートル長のオンチップ光共振器を構築しました。ローザンヌ連邦工科大学のフォトニクスおよび量子測定研究所の研究者である Yang Liu 氏によると、「チップサイズはコンパクトですが、これらのマイクロリング共振器を統合することで、物理的な増幅デバイスを必要とせずに光路を効率的に延長し、レーザー共振器を 1 メートル長に設計することができました。」
大躍進！チップサイズのレーザーがファイバーレーザーに取って代わる？
次に研究チームは、レーザー発振に必要な活性増幅媒体を選択的に生成するために、回路に高濃度のエルビウムイオンを注入しました。最後に、回路を III-V 半導体ポンプレーザーと統合してエルビウムイオンを励起し、光を放射してレーザービームを生成できるようにしました。
レーザーの性能を向上させ、正確な波長制御を可能にするために、研究者らは、特定の周波数の光を選択してレーザーの性能を向上させ、正確な波長制御を可能にするマイクロリングベースのバーニアフィルターを備えた革新的なキャビティ内設計を考案しました。
このフィルターは、C バンドと L バンドの両方で 40 nm レーザー波長の動的な調整を可能にし、現在の半導体製造プロセスとの互換性を維持しながら、調整と低スペクトル スプリアス メトリックの両方で従来のファイバー レーザーを上回ります。この設計は、50 Hz の固有線幅で安定したシングル モード レーザー発振をサポートします。
出力電力が 10 mW を超え、サイドモード除去比が 70 dB を超えるこのチップスケールのエルビウムベースのファイバー レーザーは、従来の多くのレーザーよりも優れた性能を発揮します。狭い線幅により純粋で安定した光を放射できるため、センシング、ジャイロスコープ、LIDAR、光周波数計測などのコヒーレント アプリケーションに最適です。
エルビウム ファイバー レーザーを小型化してチップ スケール デバイスに統合すると、より手頃な価格になり、民生用電子機器、医療診断、通信における高度に統合されたモバイル システムの新しい用途が開拓されます。また、LIDAR、マイクロ波フォトニクス、光周波数合成、自由空間通信など、他のいくつかの用途でも光学技術を小型化できます。