Ponieważ technologie rozwijają się w tempie wykładniczym, a popyt na nowe urządzenia odpowiednio rośnie, miniaturyzacja systemów w układy scalone staje się coraz ważniejsza. Mikroelektronika zmieniła sposób, w jaki manipulujemy elektrycznością, umożliwiając wyrafinowane produkty elektroniczne, które są obecnie istotną częścią naszego codziennego życia. Podobnie zintegrowana fotonika zrewolucjonizowała sposób, w jaki kontrolujemy światło w zastosowaniach takich jak przesyłanie danych, obrazowanie, wykrywanie i urządzenia biomedyczne. Kierując i kształtując światło za pomocą komponentów w mikro- i nanoskali, zintegrowana fotonika zmniejsza pełne systemy optyczne do rozmiarów maleńkich chipów.
Pomimo swojego sukcesu zintegrowanej fotonice brakowało kluczowego elementu umożliwiającego osiągnięcie pełnej miniaturyzacji: wysokowydajnych laserów w skali chipowej. Chociaż poczyniono pewne postępy w zakresie laserów bliskiej podczerwieni, lasery światła widzialnego, które obecnie zasilają chipy fotoniczne, są nadal stacjonarne i drogie. Ponieważ światło widzialne ma zasadnicze znaczenie dla szerokiego zakresu zastosowań, w tym optyki kwantowej, wyświetlaczy i bioobrazowania, istnieje zapotrzebowanie na przestrajalne lasery chipowe o wąskiej szerokości linii, emitujące światło o różnych kolorach.
Wynalezienie wysokowydajnych laserów, które mieszczą się na czubku palca
Naukowcy z Lipson Nanophotonics Group z Columbia Engineering stworzyli widzialne lasery o bardzo czystych kolorach od bliskiego ultrafioletu do bliskiej podczerwieni, które mieszczą się na czubku palca. Kolory laserów mogą być precyzyjnie dostrojone i niezwykle szybkie – do 267 petaherców na sekundę, co ma kluczowe znaczenie w zastosowaniach takich jak optyka kwantowa. Zespół jako pierwszy zademonstrował lasery o wąskiej szerokości linii i przestrajalne lasery w skali chipowej dla kolorów światła poniżej czerwonego – zielonego, cyjanowego, niebieskiego i fioletowego. Te niedrogie lasery mają również najmniejszą powierzchnię i najkrótszą długość fali (404 nm) ze wszystkich przestrajalnych i zintegrowanych laserów o wąskiej szerokości linii emitujących światło widzialne. Badanie, które zostało po raz pierwszy zaprezentowane na sesji po terminie CLEO 2021 14 maja 2021 r., zostało opublikowane online 23 grudnia 2022 r. przez Nature Photonics.
„Ekscytujące w tej pracy jest to, że wykorzystaliśmy moc zintegrowanej fotoniki do przełamania istniejącego paradygmatu, że wysokowydajne lasery widzialne muszą być stacjonarne i kosztować dziesiątki tysięcy dolarów” – mówi główny autor badania, Mateus Corato Zanarella, doktorant współpracujący z Michałem Lipsonem, Higgins Professor of Electrical Engineering i profesor fizyki stosowanej. „Do tej pory niemożliwe było zmniejszenie i masowe wdrożenie technologii, które wymagają przestrajalnych i wąskich widzialnych laserów. Godnym uwagi przykładem jest optyka kwantowa, która wymaga wysokowydajnych laserów o kilku kolorach w jednym systemie. Oczekujemy, że nasze odkrycia umożliwi w pełni zintegrowane systemy światła widzialnego dla istniejących i nowych technologii”.
Korzyści z emitowania długości fal poniżej czerwieni
Znaczenie laserów emitujących fale krótsze niż czerwień jest oczywiste, jeśli weźmie się pod uwagę niektóre ważne zastosowania. Na przykład wyświetlacze wymagają jednoczesnego światła czerwonego, zielonego i niebieskiego, aby skomponować dowolny kolor. W optyce kwantowej zielone, niebieskie i fioletowe lasery są używane do wychwytywania i chłodzenia atomów i jonów. W podwodnym Lidarze (wykrywanie światła i zasięg) potrzebne jest światło zielone lub niebieskie, aby uniknąć wchłaniania wody. Jednak przy długościach fal krótszych niż czerwień straty sprzężenia i propagacji fotonicznych układów scalonych znacznie wzrastają, co uniemożliwiło realizację wysokowydajnych laserów w tych kolorach.
Rozwiązywanie problemów związanych ze sprzężeniem i stratami propagacyjnymi
Naukowcy rozwiązali problem strat sprzężenia, wybierając jako źródła światła diody Fabry’ego-Perota (FP), co minimalizuje wpływ strat na wydajność laserów chip-scale. W przeciwieństwie do innych strategii wykorzystujących różne rodzaje źródeł, podejście zespołu umożliwia realizację laserów o rekordowo krótkich długościach fal (404 nm), zapewniając jednocześnie skalowalność do wysokich mocy optycznych. Diody laserowe FP to niedrogie i kompaktowe lasery na ciele stałym, szeroko stosowane w badań i przemysłu. Jednak emitują one jednocześnie światło o kilku długościach fal i nie można ich łatwo przestrajać, co uniemożliwia ich bezpośrednie użycie w zastosowaniach wymagających czystych i precyzyjnych laserów. Łącząc je ze specjalnie zaprojektowanym chipem fotonicznym, naukowcy są w stanie zmodyfikować emisję lasera tak, aby była jednoczęstotliwościowa, miała wąską szerokość linii i była szeroko przestrajalna.
Zespół przezwyciężył problem strat związanych z propagacją, projektując platformę, która minimalizuje jednocześnie straty absorpcji materiału i rozpraszania powierzchniowego dla wszystkich widzialnych długości fal. Do kierowania światła użyli azotku krzemu, dielektryka szeroko stosowanego w przemyśle półprzewodnikowym, który jest przezroczysty dla światła widzialnego we wszystkich kolorach. Mimo że absorpcja jest minimalna, światło nadal ulega utracie z powodu nieuniknionej chropowatości wynikającej z procesów produkcyjnych. Zespół rozwiązał ten problem, projektując obwód fotoniczny ze specjalnym typem rezonatora pierścieniowego. Pierścień ma zmienną szerokość na obwodzie, co pozwala na pracę jednomodową charakterystyczną dla wąskich falowodów i niską stratność charakterystyczną dla falowodów szerokich. Powstały obwód fotoniczny zapewnia selektywne pod względem długości fali optyczne sprzężenie zwrotne do diod FP, które zmusza laser do emitowania na jednej pożądanej długości fali z bardzo wąską szerokością linii.
„Łącząc te misternie zaprojektowane elementy, byliśmy w stanie zbudować solidną i wszechstronną platformę, która jest skalowalna i działa dla wszystkich kolorów światła” – powiedział Corato Zanarella.
Rewolucjonizujące technologie
„Jako producent laserów zdajemy sobie sprawę, że zintegrowana fotonika będzie miała ogromny wpływ na naszą branżę i umożliwi nową generację zastosowań, które do tej pory były niemożliwe” — powiedział Chris Haimberger, dyrektor ds. technologii laserowej TOPTICA Photonics, Inc. praca stanowi ważny krok naprzód w dążeniu do kompaktowych i przestrajalnych widzialnych laserów, które będą napędzać przyszły rozwój w informatyce, medycynie i przemyśle”.
Wyniki badania mogą zrewolucjonizować szeroki zakres zastosowań, w tym:
Informacje kwantowe. Większość bitów kwantowych do obliczeń kwantowych wykorzystuje atomy lub jony, które są uwięzione i badane za pomocą światła widzialnego. Światło musi być bardzo czyste (wąska szerokość linii) i mieć bardzo określone długości fal, aby zająć się przejściami atomowymi. Obecnie lasery dostępne do tych zastosowań są drogie i stacjonarne. To nowe badanie pokazuje, że te nieporęczne źródła można zastąpić małymi i niedrogimi chipami, które umożliwią zmniejszenie skali systemów kwantowych i ostatecznie staną się częścią technologii dostępnych dla ogółu społeczeństwa. Zegary atomowe. Najbardziej precyzyjne zegary oparte są na atomach strontu, które muszą być uwięzione i zbadane przez lasery o wielu różnych kolorach jednocześnie. Podobnie jak w przypadku systemów optyki kwantowej, ogromne rozmiary obecnie dostępnych laserów ograniczają tę technologię do laboratoriów badawczych. Lasery w skali chipowej umożliwią zmniejszenie tych systemów w celu stworzenia przenośnych zegarów atomowych. Bioczujniki. Kilka sond neuronowych wykorzystuje technologię zwaną optogenetyką do pomiaru, modyfikacji i zrozumienia odpowiedzi neuronalnej. W tej technologii neurony są genetycznie modyfikowane w celu wytworzenia rodzaju białka zwanego opsyną, które jest wrażliwe na światło widzialne. Wysyłając światło widzialne, zazwyczaj niebieskie, do tych komórek, naukowcy mogą dowolnie włączać określone neurony. Podobnie w obrazowaniu fluorescencyjnym, fluorofory muszą być wzbudzane światłem widzialnym w celu wygenerowania pożądanych obrazów. Te wydajne, kompaktowe lasery otwierają drzwi do miniaturyzacji tych systemów. Zasięg podwodny. Podwodny zasięg wymaga światła niebieskiego lub zielonego, ponieważ woda oceaniczna silnie pochłania światło wszystkich pozostałych kolorów. Ponadto, w przypadku popularnej strategii określania odległości, zwanej LiDAR z modulowaną częstotliwościowo falą ciągłą, laser musi być szybko przestrajalny w celu dokładnego wykrywania odległości i prędkości obiektów. Lasery te mogłyby być wykorzystywane w przenośnych podwodnych systemach pomiaru odległości wykorzystujących tę technologię. Li-Fi. Wraz ze wzrostem zapotrzebowania na przepustowość w systemach komunikacyjnych sieci stają się nasycone. Li-Fi, czyli komunikacja w świetle widzialnym, to szybko rozwijająca się technologia, która obiecuje uzupełnienie tradycyjnych łączy mikrofalowych po stronie użytkownika w celu przezwyciężenia tego wąskiego gardła. Wysokie prędkości modulacji laserów są idealne do umożliwienia niezwykle szybkiej optycznej komunikacji bezprzewodowej.
Następne kroki
Naukowcy, którzy złożyli tymczasowy patent na swoją technologię, badają teraz, jak optycznie i elektrycznie spakować lasery, aby przekształcić je w samodzielne jednostki i wykorzystać je jako źródła w silnikach światła widzialnego w skali chipów, eksperymentach kwantowych i zegarach optycznych.
„Aby iść naprzód, musimy być w stanie miniaturyzować i skalować te systemy, umożliwiając ich ostatecznie włączenie do technologii masowo wdrażanych” – powiedział Lipson, pionier fotoniki krzemowej, którego badania silnie ukształtowały dziedzinę od samego początku. dziesiątki lat temu, z fundamentalnym wkładem w aktywne i pasywne urządzenia, które są częścią każdego obecnego chipa fotonicznego. Dodała: „Zintegrowana fotonika to ekscytująca dziedzina, która naprawdę rewolucjonizuje nasz świat, od telekomunikacji optycznej, przez informacje kwantowe, po bioczujniki”.