Ultrabrza laserska tehnologija minijaturizirana na malim fotonskim čipovima

Caltech je inovirao metodu za stvaranje kompaktnih, integriranih lasera sa zaključavanjem moda na fotonskim čipovima, potencijalno transformirajući ultrabrze laserske aplikacije u manje razmjere s poboljšanim performansama.

Laseri su postali relativno uobičajena pojava u svakodnevnom životu, ali imaju mnogo namjena osim da pružaju svjetlosne emisije na raveima i skeniraju bar kodove na namirnicama. Laseri su takođe od velike važnosti u telekomunikacijama i računarstvu, kao iu istraživanju biologije, hemije i fizike.

Vrijednost ultrakratkih laserskih impulsa

U ovim potonjim aplikacijama, laseri koji mogu emitovati ekstremno kratke impulse – one reda veličine jedne triliontine sekunde (jedne pikosekunde) ili kraće – su posebno korisni. Koristeći lasere koji rade u tako malim vremenskim razmacima, istraživači mogu proučavati fizičke i hemijske fenomene koji se događaju izuzetno brzo – na primjer, stvaranje ili prekid molekularnih veza u kemijskoj reakciji ili kretanje elektrona unutar materijala. Ovi ultrakratki impulsi se takođe uveliko koriste za aplikacije za snimanje jer mogu imati izuzetno velike vršne intenzitete, ali nisku prosječnu snagu, tako da izbjegavaju zagrijavanje ili čak sagorijevanje uzoraka kao što su biološka tkiva.

Napredak u laserskoj tehnologiji

U radu koji se pojavljuje u časopisu Nauka, Alireza Marandi sa Caltecha, docent elektrotehnike i primijenjene fizike, opisuje novu metodu koju je razvila njegova laboratorija za izradu ove vrste lasera, poznatog kao laser s zaključavanjem moda, na fotonskom čipu. Laseri se izrađuju pomoću nanoskala komponente (nanometar je milijardu metra), što im omogućava da se integrišu u kola zasnovana na svetlosti slična integrisanim kolima zasnovanim na električnoj energiji koja se nalaze u modernoj elektronici.

Nanofotonski laser sa zaključavanjem moda izgrađen na litijum niobatu emituje snop zelene laserske svetlosti. Kredit: Caltech

„Nismo samo zainteresovani da lasere sa zaključavanjem moda učinimo kompaktnijim,“ kaže Marandi. “Uzbuđeni smo što ćemo napraviti laser sa zaključavanjem moda dobrog učinka na nanofotonskom čipu i kombinirati ga s drugim komponentama. Tada možemo izgraditi kompletan ultrabrzi fotonski sistem u integrisanom kolu. Ovo će bogatstvo ultrabrze nauke i tehnologije, koje trenutno pripada eksperimentima u metarskoj skali, dovesti do čipova milimetarske skale.”

Ultrabrzi laseri i priznanje Nobelove nagrade

Ultrabrzi laseri ove vrste toliko su važni za istraživanje, da je ovogodišnja Nobelova nagrada za fiziku dodijeljena trojcu naučnika za razvoj lasera koji proizvode atosekundne impulse (jedna atosekunda je kvintilionti dio sekunde). Takvi laseri su, međutim, trenutno izuzetno skupi i glomazni, kaže Marandi — koji napominje da njegovo istraživanje istražuje metode za postizanje takvih vremenskih okvira na čipovima koji mogu biti za redove veličine jeftiniji i manji, s ciljem razvoja pristupačnih i prikladnih ultrabrzih fotonskih tehnologija .

„Ovi eksperimenti atosekunde se rade gotovo isključivo sa ultrabrzim laserima sa zaključavanjem moda“, kaže on. „A neki od njih mogu koštati i do 10 miliona dolara, a dobar deo te cene je laser sa zaključavanjem moda. Zaista smo uzbuđeni što razmišljamo o tome kako možemo replicirati te eksperimente i funkcionalnosti u nanofotonici.”

Inovativni laser sa nanofotonskim modom zaključavanja

U srcu nanofotonskog lasera sa zaključavanjem moda koji je razvio Marandijeva laboratorija je litijum niobat, sintetička so sa jedinstvenim optičkim i električnim svojstvima koja, u ovom slučaju, omogućava kontrolu i oblikovanje laserskih impulsa primenom eksternog radio- frekvencijski električni signal. Ovaj pristup je poznat kao aktivno zaključavanje moda sa faznom modulacijom unutar šupljine.

“Prije otprilike 50 godina, istraživači su koristili modulaciju faze unutar šupljine u eksperimentima na stolu kako bi napravili lasere s zaključavanjem moda i odlučili da to nije najbolje u usporedbi s drugim tehnikama,” kaže Qiushi Guo, prvi autor rada i bivši postdoktorant u Marandijevoj laboratoriji. “Ali otkrili smo da se odlično uklapa u našu integriranu platformu.”

“Pored svoje kompaktne veličine, naš laser također pokazuje niz intrigantnih svojstava. Na primjer, možemo precizno podesiti frekvenciju ponavljanja izlaznih impulsa u širokom rasponu. Ovo možemo iskoristiti da razvijemo stabilizirane frekventne češljaste izvore na skali čipa, koji su od vitalnog značaja za mjeriteljstvo frekvencije i precizno sensiranje,” dodaje Guo, koji je sada docent na Centru za napredna naučna istraživanja Gradskog univerziteta u New Yorku.

Budući ciljevi i uticaj istraživanja

Marandi kaže da ima za cilj da nastavi poboljšavati ovu tehnologiju kako bi mogla raditi u još kraćim vremenskim razmacima i većim vršnim snagama, s ciljem od 50 femtosekundi (femtosekunda je kvadrilionti dio sekunde), što bi bilo 100 puta više od njegovog trenutni uređaj, koji generiše impulse dužine 4,8 pikosekundi.

Rad koji opisuje istraživanje naslovljen je “Ultrabrzi laser sa zaključavanjem moda u nanofotonskom litijum niobitu” i pojavljuje se u izdanju od 9. novembra Nauka.

Referenca: “Ultrabrzi laser sa zaključavanjem moda u nanofotonskom litijum niobatu” od Qiushi Guoa, Benjamina K. Gutierreza, Ryoto Sekinea, Roberta M. Graya, Jamesa A. Williamsa, Luisa Ledezme, Luisa Costa, Arkadev Roy, Selina Zhou, Mingchen Liu i Alireza Marandi, 9. novembra 2023. Nauka.
DOI: 10.1126/science.adj5438

Koautori su Benjamin K. Gutierrez (MS ’23), diplomirani student primijenjene fizike; diplomirani studenti elektrotehnike Ryoto Sekine (MS ’22), Robert M. Gray (MS ’22), James A. Williams, Selina Zhou (BS ’22) i Mingchen Liu; Luis Ledezma (PhD ’23), eksterni saradnik u elektrotehnici; Luis Costa, ranije u Caltechu, a sada sa JPLza koji Caltech upravlja NASA; i Arkadev Roy (MS ’23, PhD ’23), ranije sa Caltecha, a sada sa UC Berkeley.

Finansiranje istraživanja obezbijedili su Kancelarija za istraživanje vojske, Nacionalna naučna fondacija i Kancelarija za naučna istraživanja Ratnog vazduhoplovstva.