Connect with us

Hi, what are you looking for?

Наука и технологии

Разрабатываются сверхбыстрые лазеры на сверхмалых чипах

Разрабатываются сверхбыстрые лазеры на сверхмалых чипах
Разрабатываются сверхбыстрые лазеры на сверхмалых чипах

Лазеры стали относительно обычным явлением в повседневной жизни, но у них есть множество применений, помимо организации световых шоу на рейвах и сканирования штрих-кодов на продуктах. Лазеры также имеют большое значение в телекоммуникациях и вычислительной технике, а также в исследованиях в области биологии, химии и физики.

В этих последних приложениях особенно полезны лазеры, которые могут излучать чрезвычайно короткие импульсы — порядка одной триллионной секунды (одной пикосекунды) или короче. Используя лазеры, работающие в столь малых временных масштабах, исследователи могут изучать физические и химические явления, которые происходят чрезвычайно быстро, например, образование или разрыв молекулярных связей в химической реакции или движение электронов внутри материалов.

Эти ультракороткие импульсы также широко используются для визуализации, поскольку они могут иметь чрезвычайно большую пиковую интенсивность, но низкую среднюю мощность, поэтому они позволяют избежать нагревания или даже сжигания образцов, таких как биологические ткани.

В статье, опубликованной в журнале Science , Алиреза Маранди из Калифорнийского технологического института, доцент кафедры электротехники и прикладной физики, описывает новый метод, разработанный в его лаборатории для создания такого типа лазера , известного как лазер с синхронизацией мод, на фотонном чипе. . Лазеры производятся с использованием наноразмерных компонентов (нанометр — это одна миллиардная часть метра), что позволяет интегрировать их в световые схемы, аналогичные электрическим интегральным схемам, которые используются в современной электронике.

«Мы не просто заинтересованы в том, чтобы сделать лазеры с синхронизацией мод более компактными», — говорит Маранди. «Мы очень рады созданию хорошо работающего лазера с синхронизацией мод на нанофотоническом чипе и объединению его с другими компонентами. Именно тогда мы сможем построить полную сверхбыструю фотонную систему в интегральной схеме. Это принесет богатство сверхбыстрой науки и техники. , в настоящее время принадлежащий экспериментам метрового масштаба, чипам миллиметрового масштаба».

Сверхбыстрые лазеры такого типа настолько важны для исследований, что Нобелевская премия по физике этого года была присуждена троим учёным за разработку лазеров, генерирующих аттосекундные импульсы (одна аттосекунда равна одной квинтиллионной доли секунды). Однако такие лазеры в настоящее время чрезвычайно дороги и громоздки, говорит Маранди, который отмечает, что его исследования направлены на изучение методов достижения таких временных масштабов на чипах, которые могут быть на порядки дешевле и меньше, с целью разработки доступных и готовых к использованию сверхбыстрых фотонных технологий.

«Эти аттосекундные эксперименты проводятся почти исключительно с использованием сверхбыстрых лазеров с синхронизацией мод», — говорит он. «И некоторые из них могут стоить до 10 миллионов долларов, причем значительную часть этой стоимости составляет лазер с синхронизацией мод. Мы очень рады подумать о том, как мы можем повторить эти эксперименты и функциональные возможности в нанофотонике».

В основе нанофотонного лазера с синхронизацией мод, разработанного лабораторией Маранди, лежит ниобат лития , синтетическая соль с уникальными оптическими и электрическими свойствами , которые — в данном случае — позволяют контролировать и формировать лазерные импульсы с помощью внешнего радиоизлучения. частотный электрический сигнал. Этот подход известен как активная синхронизация мод с внутрирезонаторной фазовой модуляцией.

«Около 50 лет назад исследователи использовали внутрирезонаторную фазовую модуляцию в настольных экспериментах для создания лазеров с синхронизацией мод и решили, что она не очень подходит по сравнению с другими методами», — говорит Цюши Го, первый автор статьи и бывший научный сотрудник. в лаборатории Маранди. «Но мы обнаружили, что он отлично подходит для нашей интегрированной платформы».

«Помимо своих компактных размеров, наш лазер также демонстрирует ряд интересных свойств. Например, мы можем точно настраивать частоту повторения выходных импульсов в широком диапазоне. Мы можем использовать это для разработки источников стабилизированной гребенки частоты в масштабе кристалла, которые жизненно важны для частотной метрологии и прецизионного измерения», — добавляет Го, который сейчас является доцентом Центра перспективных научных исследований Городского университета Нью-Йорка.

Маранди говорит, что он намерен продолжать совершенствовать эту технологию, чтобы она могла работать в еще более короткие сроки и с более высокими пиковыми мощностями, с целью достичь 50 фемтосекунд (фемтосекунда равна одной квадриллионной секунды), что будет в 100 раз лучше, чем его действующее устройство, генерирующее импульсы длительностью 4,8 пикосекунды.

Теги: лазер, фотон, чип

В тренде