Zichtbaar-lichtlasers krimpen tot chipschaal

Onderzoekers in de VS hebben de eerste krachtige, afstembare lasers voor zichtbaar licht met smalle lijnbreedte gemaakt die klein genoeg zijn om op een fotonische chip te passen. De nieuwe lasers, ontwikkeld door een team van de Columbia University School of Engineering and Applied Science, werken op golflengten die korter zijn dan het rode deel van het elektromagnetische spectrum en kunnen worden gebruikt in technologieën zoals kwantumoptica, bioimaging en laserdisplays.

"Tot nu toe waren lasers met vergelijkbare prestaties als die we hebben ontwikkeld, tafelformaat en duur, waardoor ze ongeschikt waren voor krachtige technologieën zoals draagbare atoomklokken en AR / VR-apparaten [augmented reality en virtual reality]", legt uit Mateus Corato Zanarella, een lid van Michal Lipson's nanofotonica-groep bij Colombia. "In ons werk laten we zien hoe we geïntegreerde fotonica kunnen gebruiken om de omvang van complexe lasersystemen drastisch te verkleinen."

Geïntegreerde fotonica heeft al een revolutie teweeggebracht in de manier waarop we licht regelen voor toepassingen zoals datacommunicatie, beeldvorming, detectie en biomedische apparaten, voegt hij eraan toe. Door licht te sturen en vorm te geven met behulp van componenten op micro- en nanoschaal, is het nu mogelijk om volledige optische systemen te verkleinen tot objecten die op een vingertop passen. Ondanks grote vooruitgang ontbraken echter krachtige lasers op chipschaal - wat betekent dat een sleutelcomponent voor volledige miniaturisatie buiten bereik blijft.

Afstembaar licht met een smalle lijnbreedte met golflengten korter dan rood

Het nieuwe on-chip laserplatform van Columbia is het eerste dat afstembare en smalle lijnbreedte licht demonstreert bij golflengten korter dan rood, met de kleinste voetafdruk en kortste golflengte (404 nm) van een geïntegreerd laserplatform. Het is samengesteld uit commerciële Fabry-Perot-laserdiodes als lichtbronnen en een fotonische geïntegreerde chip (PIC) met micron-sized siliciumnitride-resonatoren. Dit laatste onderdeel is ontworpen om de laseremissie zodanig te wijzigen dat deze een enkele frequentie heeft, gemakkelijk kan worden afgesteld en een smalle lijnbreedte heeft door middel van een fysiek proces dat bekend staat als zelfinjectievergrendeling. Zonder deze PIC zou het apparaat op verschillende golflengten uitzenden en zou het niet gemakkelijk af te stemmen zijn.

"Elke laserdiode zendt oorspronkelijk onzuiver licht uit met verschillende tinten van een kleur en we ontwerpen onze PIC om die emissie te 'zuiveren'," vertelt Zanarella Natuurkunde wereld. "Wanneer we de diode en de chip combineren, dwingt de selectieve en controleerbare optische feedback van de PIC de laser om een ​​enkele kleur van hoge zuiverheid uit te zenden in plaats van meerdere tinten."

Hoogwaardige toepassingen

De onderzoekers zeggen dat ze op een nauwkeurige en snelle manier puur licht kunnen genereren en regelen in kleuren van bijna-ultraviolet tot bijna-infrarood - tot 267 petahertz/seconde. Dergelijk licht zou kunnen worden gebruikt in geavanceerde toepassingen zoals draagbare atoomklokken die voorheen niet mogelijk waren vanwege de grootte van de vereiste laserbronnen. Andere mogelijke toepassingen zijn onder meer kwantuminformatie, biosensing, onderwaterlaserbereik (LiDAR) en Li-Fi (zichtbaar-lichtcommunicatie).

Ultrakorte zichtbare lichtpulsen gemakkelijk gemaakt

"Het opwindende aan dit werk is dat we de kracht van geïntegreerde fotonica hebben gebruikt om het bestaande paradigma te doorbreken dat hoogwaardige zichtbare lasers tafelmodel moeten zijn en tienduizenden dollars kosten", zegt Zanarella. “Tot nu toe was het onmogelijk om technologieën te verkleinen en massaal in te zetten waarvoor afstembare lasers met een smalle lijnbreedte nodig zijn. Een opmerkelijk voorbeeld is kwantumoptica, die krachtige lasers van verschillende kleuren in één systeem vereist. We verwachten dat onze bevindingen volledig geïntegreerde zichtbaarlichtsystemen voor bestaande en nieuwe technologieën mogelijk zullen maken.”

De Columbia-onderzoekers zijn nu van plan hun laser op chipschaal om te zetten in zelfstandige eenheden die gemakkelijk kunnen worden ingezet in praktische toepassingen. Ze hebben ook een patent aangevraagd voor hun technologie, die ze beschrijven in Natuur Fotonica.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/visible-light-lasers-shrink-to-chip-scale/