Научници по први пут интегришу ласерски модул високих перформанси на нанофотонски чип

Употреба ласера ​​у свакодневном животу постала је релативно уобичајена, а може бити и важно средство за посматрање, анализу и квантификовање ствари у природи које су невидљиве голим оком – задаци који су, нажалост, у прошлости били ограничени потреба за коришћењем великих, скупих инструмената.
Тим научника са Градског универзитета у Њујорку и тима Калифорнијског института за технологију експериментално су демонстрирали нови начин производње ултрабрзих ласера ​​високих перформанси на нанофотонским чиповима – демонстрирали су прве на свету ласере са закључавањем мода са електричном пумпом са високим вршна импулсна снага интегрисана на фото-чиповима од танког филма литијум ниобата. Истраживање је недавно објављено као насловна прича у часопису Сциенце.
Истраживање је засновано на минијатуризованим ласерима са закључаним модом - који емитују јединствени ласер који емитује низ ултракратких импулса кохерентне светлости у интервалима од фемтосекунде, каже вођа тима Ћиуши Гуо.
Ултрабрзи ласери са закључавањем мода играју централну улогу у откривању мистерија најбржих временских скала природе, које укључују проучавање формирања и прекида молекуларних веза у хемијским реакцијама и истраживање динамике ширења светлости у турбулентним медијима.
Управо је развој ласера ​​са закључавањем мода, због њиховог брзог пулсног вршног интензитета и широке спектралне покривености, такође подстакао развој различитих фотоничких технологија, укључујући оптичке атомске сатове, био-имагинг и прорачун података заснован на светлости. у компјутерима.
Нажалост, чак и данашњи најсавременији ласери са закључавањем мода су и даље скупи и захтевни за енергијом, што је довело до тога да је њихова употреба у великој мери ограничена на лабораторијска окружења.
Циљ поменутог тима: да револуционише област ултрабрзе фотонике трансформацијом великих лабораторијских система у системе величине чипа који се могу масовно производити и применити на терену. Они само желе да умање ствари, али такође желе да буду сигурни да ови ултрабрзи ласери величине чипа пружају задовољавајуће перформансе. На пример, потребан им је довољан вршни интензитет импулса, пожељно већи од 1 вата, да би изградили смислене системе на нивоу чипа.
Међутим, реализација и интеграција ефикасних ласера ​​са закључавањем мода на чипу је изазован задатак. Ово истраживање користи танкослојни литијум ниобат (ТФЛН), иновативну платформу материјала. Користећи овај материјал, могуће је прецизно контролисати и ефикасно формирати ласерске импулсе додавањем екстерног РФ електричног сигнала.
У својим експериментима, Гуов тим је вешто комбиновао својства високог ласерског појачања ИИИ-В полупроводника са високо ефикасним могућностима обликовања импулса ТФЛН нанофотонских таласовода, на крају демонстрирајући ласер са излазном вршном снагом до 0,5 вати .
Поред своје компактне величине, ласер са закључавањем мода који су демонстрирали има низ узбудљивих нових карактеристика које могу да обећавају за будуће примене.
На пример, прецизним подешавањем струје ласерске пумпе, Гуо је схватио могућност финог подешавања фреквенције понављања излазног импулса у широком опсегу од 200 МХз. Користећи робусну реконфигурацију демонстрационог ласера, тим се нада да ће олакшати изворе чешљака са скалом чипа, стабилизоване фреквенцијом, који су критични за апликације прецизног сензора.
Иако реализација скалабилних, интегрисаних, ултрабрзих фотонских система за преносиве и ручне уређаје представља додатне изазове за Куов тим, тренутна демонстрација означава важну прекретницу у превазилажењу великих препрека.
Ово достигнуће отвара пут за коришћење мобилних телефона за дијагностиковање очних болести или анализу Е. цоли и опасних вируса у храни и животној средини. Такође би могло да помогне у стварању атомских сатова будућности на нивоу чипа, омогућавајући навигацију када је ГПС оштећен или недоступан.
Научници су превазишли велику препреку овом најновијом демонстрацијом. Ипак, научници се сада радују решавању додатних препрека развоја скалабилних, интегрисаних, ултрабрзих фотонских система који се могу користити на преносивим и ручним уређајима.