Lasrar för synligt ljus krymper till chipskala

Lasrar för synligt ljus krymper till chipskala

Tidsstämpel: 15 februari 2023 7:30

Illustration av den integrerade laserplattformen som visar olika färger av synligt ljus som kommer från ett enda chip
Integrerad laserplattform: Ett enda chip genererar smal linjebredd och justerbart synligt ljus som täcker alla färger. (Med tillstånd: Myles Marshall/Columbia Engineering)

Forskare i USA har skapat de första högpresterande, avstämbara lasrarna för synligt ljus med smal linjebredd som är tillräckligt små för att passa på ett fotoniskt chip. Utvecklade av ett team vid Columbia University School of Engineering and Applied Science, de nya lasrarna fungerar vid våglängder kortare än den röda delen av det elektromagnetiska spektrumet och kan användas i teknologier som kvantoptik, bioavbildning och laserskärmar.

"Hittills har lasrar med liknande prestanda som de vi har utvecklat varit av bänkstorlek och dyra, vilket gjorde dem olämpliga för högeffektsteknologier som bärbara atomur och AR/VR-enheter [augmented reality och virtual reality]", förklarar Mateus Corato Zanarella, en medlem av Michal Lipsons nanofotonikgrupp i Columbia. "I vårt arbete visar vi hur vi kan använda integrerad fotonik för att drastiskt krympa storleken på komplexa lasersystem."

Integrerad fotonik har redan revolutionerat sättet vi styr ljus för applikationer som datakommunikation, bildbehandling, avkänning och biomedicinsk utrustning, tillägger han. Genom att dirigera och forma ljus med hjälp av komponenter i mikro- och nanoskala är det nu möjligt att krympa hela optiska system ner till objekt som får plats på en fingertopp. Trots stora framsteg har dock högpresterande lasrar i chipsskala saknats – vilket innebär att en nyckelkomponent för fullständig miniatyrisering förblir utom räckhåll.

Avstämbart ljus med smal linjebredd med våglängder kortare än rött

Columbias nya on-chip laserplattform är den första som visar avstämbart ljus med smal linjebredd vid våglängder kortare än rött, med det minsta fotavtrycket och den kortaste våglängden (404 nm) hos en integrerad laserplattform. Den är sammansatt av kommersiella Fabry-Perot-laserdioder som ljuskällor och ett fotoniskt integrerat chip (PIC) med kiselnitridresonatorer i mikronstorlek. Den senare komponenten är utformad för att modifiera laseremissionen till att vara enkelfrekvens, lätt avstämbar och smal i linjebredden genom en fysisk process som kallas självinjiceringslåsning. Utan denna PIC skulle enheten sända ut vid flera våglängder och skulle inte vara lätt att justera.

"Varje laserdiod avger ursprungligen orent ljus av olika nyanser av en färg och vi designar vår PIC för att "rena" den emissionen", säger Zanarella Fysikvärlden. "När vi kombinerar dioden och chippet tvingar den selektiva och kontrollerbara optiska feedbacken från PIC lasern att avge en enda färg med hög renhet istället för flera nyanser."

Avancerade applikationer

Forskarna säger att de kan generera och kontrollera rent ljus i färger från nära-ultraviolett till nära-infrarött på ett exakt och snabbt sätt - upp till 267 petahertz/sekund. Sådant ljus skulle kunna användas i avancerade applikationer såsom bärbara atomur som tidigare inte var möjliga på grund av storleken på de erforderliga laserkällorna. Andra potentiella applikationer inkluderar kvantinformation, biosensing, undervattenslaseravståndsbestämning (LiDAR) och Li-Fi (kommunikation med synligt ljus).

"Det som är spännande med det här arbetet är att vi har använt kraften hos integrerad fotonik för att bryta det befintliga paradigmet att högpresterande synliga lasrar måste vara bänkbara och kosta tiotusentals dollar", säger Zanarella. "Hittills har det varit omöjligt att krympa och massdistribuera tekniker som kräver inställbara och synliga lasrar med smal linjebredd. Ett anmärkningsvärt exempel är kvantoptik, som kräver högpresterande lasrar i flera färger i ett enda system. Vi förväntar oss att våra resultat kommer att möjliggöra helt integrerade system för synligt ljus för befintlig och ny teknik."

Columbia-forskarna avser nu att förvandla sin laser i chipsskala till fristående enheter som enkelt kan användas i praktiska tillämpningar. De har också ansökt om patent på sin teknik, som de beskriver i Naturfotonik.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden