هل يمكن أن تحل أجهزة الليزر بحجم الرقاقة محل ليزر الألياف؟

في الآونة الأخيرة، قام باحثون من المدرسة الاتحادية المتعددة التقنيات في لوزان (EPFL) بتطوير ليزر موجّه مُشبّع بالإربيوم ومُدمج في شريحة، وهو نوع جديد من الليزر يتميز بأداء قريب من أداء الليزر الليفي، حيث يجمع بين القدرة على الضبط والعملية العملية للتكامل الفوتوني على نطاق الشريحة.
من المعروف أن ليزرات الألياف تستخدم الألياف الضوئية المخصبة بعناصر أرضية نادرة كوسيط للكسب. لذلك، بالمقارنة مع ليزرات الغاز مثل ثاني أكسيد الكربون، فإنها تتمتع بمزايا جودة الشعاع العالية، والطاقة العالية، والكفاءة العالية، والحجم الصغير، والتكامل السلس بين مخرجات الألياف ومنصات المعالجة المرنة.
ولتلبية الطلب على ليزرات الألياف بحجم الرقاقة، لجأ الباحثون إلى الإربيوم كوسيلة للكسب. وتعد ليزرات الألياف القائمة على الإربيوم واعدة بشكل خاص لأنها تلبي متطلبات الحفاظ على التماسك والاستقرار العاليين. ومع ذلك، كان من الصعب منذ فترة طويلة تحقيق تصغير ليزرات الألياف القائمة على الإربيوم بسبب صعوبة الحفاظ على أدائها العالي الفريد.
ولتحقيق هذه الغاية، قام الباحثون أولاً ببناء تجويف بصري بطول متر على رقاقة بناءً على دائرة متكاملة فوتونية من نتريد السيليكون منخفضة الخسارة للغاية. ووفقًا ليانغ ليو، الباحث في مختبر الفوتونيات والقياسات الكمومية في المدرسة الفيدرالية للفنون التطبيقية في لوزان: على الرغم من حجم الرقاقة الصغير، فقد تمكنا من تصميم تجويف الليزر بطول متر بفضل دمج هذه الرنانات الحلقية الدقيقة، والتي تعمل على تمديد المسار البصري بكفاءة دون الحاجة إلى أجهزة تضخيم فيزيائية.
اختراق كبير! هل يمكن أن تحل أشعة الليزر بحجم الرقاقة محل أشعة الليزر الليفية؟
ثم قام الفريق بزراعة تركيز عالٍ من أيونات الإربيوم في الدائرة لتوليد وسط الكسب النشط المطلوب لإنتاج الليزر بشكل انتقائي. وأخيرًا، قاموا بدمج الدوائر مع ليزرات مضخة أشباه الموصلات III-V لإثارة أيونات الإربيوم حتى تتمكن من إصدار الضوء وإنتاج شعاع الليزر.
لتحسين أداء الليزر وتمكين التحكم الدقيق في الطول الموجي، ابتكر الباحثون تصميمًا مبتكرًا داخل التجويف يتميز بمرشح فيرنييه يعتمد على حلقة دقيقة، وهو مرشح يختار الضوء بتردد معين لتحسين أداء الليزر وتمكين التحكم الدقيق في الطول الموجي.
يتيح الفلتر ضبطًا ديناميكيًا لطول موجة الليزر 40 نانومتر في كل من النطاقين C وL، وهو ما يتجاوز ليزرات الألياف التقليدية في كل من الضبط ومقاييس الطيف الزائف المنخفض، مع الحفاظ على التوافق مع عمليات تصنيع أشباه الموصلات الحالية. يدعم التصميم الليزر أحادي الوضع المستقر بعرض خط داخلي يبلغ 50 هرتز.
بفضل طاقة خرج تتجاوز 10 ميغاواط ونسبة رفض جانبية تزيد عن 70 ديسيبل، يتفوق ليزر الألياف القائم على الإربيوم على العديد من الليزرات التقليدية. يسمح عرض خطه الضيق بإصدار ضوء نقي ومستقر، مما يجعله مثاليًا للتطبيقات المتماسكة مثل الاستشعار، والدوائر الدوارة، والليدار، وقياس التردد البصري.
إن تقليص حجم ليزر الألياف الإربيوم ودمجه في الأجهزة التي يمكن تصنيعها على نطاق الرقائق الإلكترونية من شأنه أن يجعلها أكثر تكلفة، الأمر الذي يفتح الباب أمام تطبيقات جديدة للأنظمة المتنقلة عالية التكامل في الإلكترونيات الاستهلاكية، والتشخيصات الطبية، والاتصالات. كما قد يؤدي ذلك إلى تقليص التقنيات البصرية في العديد من التطبيقات الأخرى، بما في ذلك تقنية الليدار، والفوتونيات الدقيقة، وتوليف الترددات البصرية، والاتصالات في الفضاء الحر.