Laser telah merevolusi dunia sejak tahun 1960-an dan sekarang menjadi alat yang sangat diperlukan untuk aplikasi modern mulai dari pembedahan mutakhir dan manufaktur presisi hingga transmisi data serat optik.
Namun seiring dengan meningkatnya permintaan untuk aplikasi laser, tantangan pun meningkat. Misalnya, pasar untuk laser serat terus berkembang, yang kini terutama digunakan dalam aplikasi pemotongan, pengelasan, dan penandaan industri.
Laser serat menggunakan serat optik yang didoping dengan unsur tanah jarang (erbium, ytterbium, neodymium, dll.) sebagai sumber penguatan optik (bagian yang menghasilkan cahaya laser). Laser serat memancarkan sinar berkualitas tinggi dengan daya keluaran tinggi, efisiensi tinggi, perawatan rendah, daya tahan, dan biasanya lebih kecil dari laser gas. Laser serat juga merupakan "standar emas" untuk gangguan fase rendah, yang berarti sinarnya dapat stabil dalam jangka waktu lama.
Meskipun demikian, permintaan untuk miniaturisasi laser serat berskala chip terus meningkat. Laser serat berbasis erbium sangat diminati karena memenuhi semua persyaratan untuk menjaga koherensi dan stabilitas laser tetap tinggi. Namun, cara mempertahankan kinerja laser serat pada skala kecil telah menjadi tantangan bagi laser serat miniaturisasi.
Kini, para ilmuwan yang dipimpin oleh Dr. Yang Liu dan Prof. Tobias Kippenberg di EPFL telah membuat laser pemandu gelombang erbium terintegrasi chip pertama dengan kinerja yang mendekati kinerja laser serat, sekaligus menggabungkan utilitas penyetelan panjang gelombang yang luas dan integrasi fotonik skala chip. Studi ini dipublikasikan di Nature Photonics.
Membangun laser berskala chip
Para peneliti mengembangkan laser erbium berskala chip menggunakan proses fabrikasi mutakhir. Pertama-tama mereka membangun rongga optik pada chip sepanjang satu meter (satu set cermin yang memberikan umpan balik optik) berdasarkan sirkuit terpadu fotonik silikon nitrida dengan kerugian sangat rendah.
Dr. Yang Liu berkata, "Meskipun ukuran chipnya ringkas, kami mampu merancang rongga laser hingga sepanjang satu meter berkat integrasi resonator mikrovia ini, yang secara efektif memperluas jalur optik tanpa memperbesar perangkat secara fisik."
Tim tersebut kemudian menanamkan ion erbium dengan konsentrasi tinggi di dalam sirkuit untuk secara selektif menghasilkan medium penguatan aktif yang dibutuhkan untuk laser. Akhirnya, mereka mengintegrasikan sirkuit tersebut dengan laser yang dipompa semikonduktor Grup III-V untuk membangkitkan ion erbium guna memancarkan cahaya dan menghasilkan sinar laser.
Untuk menyempurnakan kinerja laser dan mencapai kendali panjang gelombang yang tepat, para peneliti merancang desain intracavity inovatif yang menampilkan filter berbasis Vernier mikropori, filter optik yang memungkinkan pemilihan frekuensi optik tertentu.
Filter ini memungkinkan penyetelan dinamis panjang gelombang laser pada rentang panjang gelombang yang luas, sehingga membuatnya serbaguna dan cocok untuk berbagai macam aplikasi. Desain ini mendukung laser mode tunggal yang stabil dengan lebar garis internal yang sangat sempit, hanya 50 Hz.
Laser ini juga memiliki fitur side-mode suppression yang signifikan, di mana laser mampu memancarkan cahaya pada satu frekuensi yang stabil sekaligus meminimalkan intensitas frekuensi lainnya ("side mode"). Hal ini memastikan output yang "bersih" dan stabil di seluruh rentang spektral untuk aplikasi presisi tinggi.
Gambar optik dari laser terintegrasi hibrid berdasarkan sirkuit terintegrasi fotonik terdoping erbium, menawarkan koherensi laser serat dan penyetelan frekuensi yang sebelumnya tidak dapat dicapai.
Daya, Presisi, Stabilitas dan Kebisingan Rendah
Laser serat erbium skala chip memiliki daya keluaran lebih dari 10 mW dan rasio penolakan mode samping lebih dari 70 dB, yang lebih unggul daripada banyak sistem konvensional.
Ia juga memiliki lebar garis yang sangat sempit, yang berarti bahwa cahaya yang dipancarkannya sangat murni dan stabil, yang penting untuk aplikasi koheren seperti penginderaan, giroskop, LIDAR dan metrologi frekuensi optik.
Filter Vernier berbasis mikro-apertur memungkinkan laser memiliki kemampuan penyetelan panjang gelombang yang lebar, yakni 40 nm, baik di pita C maupun pita L (rentang panjang gelombang yang digunakan untuk telekomunikasi), mengungguli laser serat konvensional dalam penyetelan maupun metrik lonjakan spektral rendah ("lonjakan" adalah frekuensi yang tidak diinginkan), sementara di saat yang sama tetap kompatibel dengan proses manufaktur semikonduktor masa kini.
Laser Generasi Berikutnya
Miniaturisasi dan mengintegrasikan laser serat erbium ke dalam perangkat berskala chip mengurangi biaya keseluruhannya, sehingga memungkinkannya digunakan dalam sistem portabel dan sangat terintegrasi dalam telekomunikasi, diagnostik medis, dan elektronik konsumen.
Ia juga dapat memperkecil teknologi optik untuk berbagai aplikasi lain, seperti LIDAR, fotonik gelombang mikro, sintesis frekuensi optik, dan komunikasi ruang bebas.
