Οι επιστήμονες ενσωματώνουν για πρώτη φορά ντουλάπι λειτουργίας λέιζερ υψηλής απόδοσης σε νανοφωτονικό τσιπ

Η χρήση λέιζερ στην καθημερινή ζωή έχει γίνει σχετικά κοινή και μπορεί επίσης να είναι ένα σημαντικό εργαλείο για την παρατήρηση, την ανάλυση και τον ποσοτικό προσδιορισμό πραγμάτων στη φύση που είναι αόρατα με γυμνό μάτι - εργασίες που, δυστυχώς, έχουν περιοριστεί στο παρελθόν από την ανάγκη χρήσης μεγάλων, ακριβών οργάνων.
Μια ομάδα επιστημόνων από το Πανεπιστήμιο Πόλης της Νέας Υόρκης και την ομάδα του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Καλιφόρνια απέδειξε πειραματικά έναν νέο τρόπο για την κατασκευή λέιζερ υψηλής απόδοσης, εξαιρετικά γρήγορα σε νανοφωτονικά τσιπ - επέδειξαν τα πρώτα στον κόσμο ηλεκτρικά αντλούμενα λέιζερ με λειτουργία κλειδώματος με υψηλή μέγιστη ισχύς παλμού ενσωματωμένη σε φωτογραφικά τσιπ νιοβάτη λιθίου λεπτής μεμβράνης. Η έρευνα δημοσιεύτηκε πρόσφατα ως εξώφυλλο στο περιοδικό Science.
Η έρευνα βασίζεται σε μινιατούρα λέιζερ κλειδώματος λειτουργίας - τα οποία εκπέμπουν ένα μοναδικό λέιζερ που εκπέμπει μια σειρά από εξαιρετικά σύντομους παλμούς συνεκτικού φωτός σε διαστήματα femtosecond, σύμφωνα με τον επικεφαλής της ομάδας Qiushi Guo.
Τα λέιζερ με κλειδωμένη λειτουργία υπερταχείας διαδραματίζουν κεντρικό ρόλο στην αποκάλυψη των μυστηρίων των ταχύτερων χρονικών κλιμάκων της φύσης, που περιλαμβάνουν τη μελέτη του σχηματισμού και τη διάσπαση μοριακών δεσμών σε χημικές αντιδράσεις και την εξερεύνηση της δυναμικής της διάδοσης του φωτός σε τυρβώδη μέσα.
Είναι η ανάπτυξη λέιζερ με κλειδωμένη λειτουργία, λόγω των εντάσεων αιχμής των ταχέων παλμών και της ευρείας φασματικής κάλυψης, που έχει επίσης τροφοδοτήσει την ανάπτυξη μιας ποικιλίας τεχνολογιών φωτονικής, συμπεριλαμβανομένων των οπτικών ατομικών ρολογιών, της βιοαπεικόνισης και του υπολογισμού δεδομένων βάσει φωτός σε υπολογιστές.
Δυστυχώς, ακόμη και τα σύγχρονα λέιζερ με λειτουργία κλειδώματος τελευταίας τεχνολογίας εξακολουθούν να είναι ακριβά και απαιτούν ενέργεια, γεγονός που έχει οδηγήσει στη χρήση τους να περιορίζεται σε μεγάλο βαθμό σε εργαστηριακά περιβάλλοντα.
Ο στόχος της προαναφερθείσας ομάδας: να φέρει επανάσταση στον τομέα της υπερταχείας φωτονικής μετατρέποντας μεγάλα εργαστηριακά συστήματα σε συστήματα μεγέθους τσιπ που μπορούν να παραχθούν μαζικά και να αναπτυχθούν στο πεδίο. Θέλουν μόνο να κάνουν τα πράγματα μικρότερα, αλλά θέλουν επίσης να βεβαιωθούν ότι αυτά τα εξαιρετικά γρήγορα λέιζερ μεγέθους τσιπ παρέχουν ικανοποιητική απόδοση. Για παράδειγμα, χρειάζονται επαρκή ένταση παλμού αιχμής, κατά προτίμηση μεγαλύτερη από 1 watt, για να δημιουργήσουν ουσιαστικά συστήματα κλίμακας τσιπ.
Ωστόσο, η υλοποίηση και η ενσωμάτωση αποτελεσματικών λέιζερ με κλειδωμένη λειτουργία σε ένα τσιπ είναι μια πρόκληση. Αυτή η έρευνα χρησιμοποιεί νιοβικό λίθιο λεπτής μεμβράνης (TFLN), μια καινοτόμο πλατφόρμα υλικού. Χρησιμοποιώντας αυτό το υλικό, είναι δυνατός ο ακριβής έλεγχος και ο αποτελεσματικός σχηματισμός παλμών λέιζερ με την προσθήκη ενός εξωτερικού ηλεκτρικού σήματος ραδιοσυχνοτήτων.
Στα πειράματά της, η ομάδα του Guo συνδύασε επιδέξια τις ιδιότητες υψηλού κέρδους λέιζερ των ημιαγωγών III-V με τις εξαιρετικά αποδοτικές δυνατότητες διαμόρφωσης παλμών των νανοφωτονικών κυματοδηγών TFLN, επιδεικνύοντας τελικά ένα λέιζερ με μέγιστη ισχύ εξόδου έως 0,5 watt .
Εκτός από το συμπαγές του μέγεθος, το λέιζερ κλειδώματος λειτουργίας που παρουσίασαν έχει μια σειρά από συναρπαστικά νέα χαρακτηριστικά που μπορούν να υπόσχονται πολλές για μελλοντικές εφαρμογές.
Για παράδειγμα, ρυθμίζοντας επακριβώς το ρεύμα της αντλίας του λέιζερ, ο Guo συνειδητοποίησε την ικανότητα να ρυθμίζει με ακρίβεια τη συχνότητα επανάληψης του παλμού εξόδου σε ένα ευρύ φάσμα 200 MHz. Χρησιμοποιώντας την ισχυρή επαναδιαμόρφωση του λέιζερ επίδειξης, η ομάδα ελπίζει να διευκολύνει τις πηγές χτενίσματος σταθεροποιημένες σε κλίμακα τσιπ, οι οποίες είναι κρίσιμες για εφαρμογές ανίχνευσης ακριβείας.
Ενώ η συνειδητοποίηση κλιμακούμενων, ολοκληρωμένων, υπερταχέων φωτονικών συστημάτων για φορητές και φορητές συσκευές αποτελεί πρόσθετες προκλήσεις για την ομάδα του Kuo, η τρέχουσα επίδειξη σηματοδοτεί ένα σημαντικό ορόσημο για την υπέρβαση μεγάλων εμποδίων.
Αυτό το επίτευγμα ανοίγει το δρόμο για τη χρήση κινητών τηλεφώνων για τη διάγνωση οφθαλμικών ασθενειών ή την ανάλυση του E. coli και των επικίνδυνων ιών στα τρόφιμα και στο περιβάλλον. Θα μπορούσε επίσης να βοηθήσει στη δημιουργία των ατομικών ρολογιών του μέλλοντος σε κλίμακα τσιπ, επιτρέποντας την πλοήγηση όταν το GPS είναι κατεστραμμένο ή δεν είναι διαθέσιμο.
Οι επιστήμονες έχουν ξεπεράσει ένα μεγάλο εμπόδιο με αυτήν την τελευταία επίδειξη. Ωστόσο, οι επιστήμονες ανυπομονούν τώρα να αντιμετωπίσουν τα πρόσθετα εμπόδια της ανάπτυξης επεκτάσιμων, ολοκληρωμένων, υπερταχέων φωτονικών συστημάτων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε φορητές και φορητές συσκευές.