Lebih Tajam, Lebih Kecil, Lebih Cerdas: Para Ilmuwan Mengembangkan Miniatur Laser Serat yang Terobosan

Gambar optik dari laser erbium terintegrasi hibrida yang dikemas lengkap berdasarkan sirkuit terintegrasi fotonik silikon nitrida, memberikan koherensi serat-laser dan kemampuan penyesuaian frekuensi yang sebelumnya tidak dapat dicapai. Kredit: Andrea Bancora dan Yang Liu (EPFL)

Peneliti EPFL telah mengembangkan laser doped erbium skala chip yang ringkas dan berkinerja tinggi, sehingga memperluas aplikasi potensial dalam teknologi dan kedokteran.

Laser telah mengubah dunia sejak tahun 1960an dan menjadi penting dalam aplikasi trendy, termasuk pembedahan tingkat lanjut, manufaktur presisi, dan transmisi knowledge melalui serat optik.

Namun seiring dengan meningkatnya kebutuhan akan aplikasi berbasis laser, tantangan pun juga meningkat. Misalnya, terdapat pasar yang berkembang untuk laser serat, yang saat ini digunakan dalam aplikasi pemotongan, pengelasan, dan penandaan industri.

Laser serat menggunakan serat optik yang diolah dengan unsur tanah jarang (erbium, ytterbium, neodymium, dll) sebagai sumber penguatan optiknya (bagian yang menghasilkan cahaya laser). Laser ini memancarkan sinar berkualitas tinggi, memiliki output daya tinggi, efisien, perawatan rendah, tahan lama, dan biasanya lebih kecil dari laser fuel. Laser serat juga merupakan 'standar emas' untuk kebisingan fase rendah, yang berarti sinarnya tetap stabil seiring waktu.

Namun terlepas dari semua itu, terdapat peningkatan permintaan untuk miniaturisasi laser serat pada tingkat skala chip. Laser serat berbasis Erbium sangat menarik, karena memenuhi semua persyaratan untuk menjaga koherensi dan stabilitas laser yang tinggi. Namun upaya untuk mengecilkannya menghadapi tantangan dalam mempertahankan kinerjanya dalam skala kecil.

Kini, para ilmuwan yang dipimpin oleh Dr Yang Liu dan Profesor Tobias Kippenberg di EPFL telah membangun laser pandu gelombang erbium-doped terintegrasi chip pertama yang mendekati kinerja dengan laser berbasis serat, menggabungkan kemampuan penyesuaian panjang gelombang lebar dengan kepraktisan integrasi fotonik skala chip . Terobosan ini dipublikasikan di Fotonik Alam.

Membangun laser skala chip

Para peneliti mengembangkan laser erbium skala chip menggunakan proses fabrikasi yang canggih. Mereka mulai dengan membangun rongga optik on-chip sepanjang satu meter (satu set cermin yang memberikan umpan balik optik) berdasarkan sirkuit terintegrasi fotonik silikon nitrida ultralow-loss.

“Kami dapat merancang rongga laser dengan panjang skala meter meskipun ukuran chipnya kompak, berkat integrasi resonator mikroring yang secara efektif memperluas jalur optik tanpa memperbesar perangkat secara fisik,” kata Dr. Liu.

Tim kemudian menanamkan sirkuit dengan ion erbium konsentrasi tinggi untuk secara selektif menciptakan media penguatan aktif yang diperlukan untuk penguat. Terakhir, mereka mengintegrasikan sirkuit dengan laser pompa semikonduktor III-V untuk merangsang ion erbium agar dapat memancarkan cahaya dan menghasilkan sinar laser.

Gambar optik dari laser berbasis sirkuit terpadu fotonik yang didoping erbium terintegrasi, memberikan koherensi serat-laser dan kemampuan penyesuaian frekuensi yang sebelumnya tidak dapat dicapai. Kredit: Yang Liu (EPFL)

Untuk menyempurnakan kinerja laser dan mencapai kontrol panjang gelombang yang tepat, para peneliti merancang desain intra-rongga inovatif yang menampilkan filter Vernier berbasis mikroring, sejenis filter optik yang dapat memilih frekuensi cahaya tertentu.

Filter ini memungkinkan penyetelan dinamis panjang gelombang laser pada rentang yang luas, menjadikannya serbaguna dan dapat digunakan dalam berbagai aplikasi. Desain ini mendukung penguat mode tunggal yang stabil dengan lebar saluran intrinsik yang sangat sempit, hanya 50 Hz.

Hal ini juga memungkinkan penekanan mode samping yang signifikan – kemampuan laser untuk memancarkan cahaya pada satu frekuensi yang konsisten sekaligus meminimalkan intensitas frekuensi lain (“mode samping”). Hal ini memastikan keluaran yang “bersih” dan stabil di seluruh spektrum cahaya untuk aplikasi presisi tinggi.

Kekuatan, presisi, stabilitas, dan kebisingan rendah

Laser serat berbasis erbium skala chip memiliki daya keluaran melebihi 10 mW dan rasio penekanan mode samping lebih besar dari 70 dB, mengungguli banyak sistem konvensional.

Ia juga memiliki lebar garis yang sangat sempit, yang berarti cahaya yang dipancarkannya sangat murni dan stabil, yang penting untuk aplikasi koheren seperti penginderaan, giroskop, LiDAR, dan metrologi frekuensi optik.

Filter Vernier berbasis mikroring memberi laser kemampuan penyesuaian panjang gelombang yang luas pada 40 nm dalam pita C dan L (rentang panjang gelombang yang digunakan dalam telekomunikasi), melampaui laser serat lama dalam hal tuning dan metrik spurs spektral rendah (“spurs” tidak diinginkan frekuensi), namun tetap kompatibel dengan proses manufaktur semikonduktor saat ini.

Laser generasi berikutnya

Miniaturisasi dan integrasi laser serat erbium ke dalam perangkat berskala chip dapat mengurangi biaya keseluruhannya, menjadikannya dapat diakses untuk sistem portabel dan sangat terintegrasi di bidang telekomunikasi, diagnostik medis, dan elektronik konsumen.

Hal ini juga dapat mengurangi teknologi optik dalam berbagai aplikasi lain, seperti LiDAR, fotonik gelombang mikro, sintesis frekuensi optik, dan komunikasi ruang bebas.

“Space penerapan laser terintegrasi yang didoping erbium kelas baru ini sebenarnya tidak terbatas,” kata Liu.

Referensi: “Laser berbasis erbium terintegrasi sepenuhnya hybrid” oleh Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji, Andrea Bancora, Grigory Lihachev, Johann Riemensberger, Rui Ning Wang, Andrey Voloshin dan Tobias J. Kippenberg, 10 Juni 2024, Fotonik Alam.
DOI: 10.1038/s41566-024-01454-7

Lab spin-off, EDWATEC SA, adalah Produsen Perangkat Terintegrasi yang kini dapat menawarkan Perangkat berbasis Sirkuit Terpadu Fotonik Ion-Doped Langka termasuk amplifier dan laser berkinerja tinggi.