En mikroringresonator med stort potentiale:Hybrid-enhed forbedrer laserteknologien markant

Holdet ved EPFL's Photonic Systems Laboratory (PHOSL) har udviklet en laserkilde i chip-skala, der forbedrer ydeevnen af ​​halvlederlasere og samtidig muliggør generering af kortere bølgelængder.

Dette banebrydende arbejde, ledet af professor Camille Brès og postdoc-forsker Marco Clementi fra EPFL's School of Engineering repræsenterer et betydeligt fremskridt inden for fotonik, med implikationer for telekommunikation, metrologi og andre højpræcisionsapplikationer.

Undersøgelsen, offentliggjort i tidsskriftet Light:Science &Applications , afslører, hvordan PHOSL-forskerne i samarbejde med Laboratory of Photonics and Quantum Measurements med succes har integreret halvlederlasere med fotoniske siliciumnitridkredsløb indeholdende mikroresonatorer. Denne integration resulterer i en hybridenhed, der udsender meget ensartet og præcist lys i både nær-infrarøde og synlige områder, og udfylder et teknologisk hul, som længe har udfordret industrien.

"Halvlederlasere er allestedsnærværende i moderne teknologi, der findes i alt fra smartphones til fiberoptisk kommunikation. Men deres potentiale har været begrænset af manglende sammenhæng og manglende evne til at generere synligt lys effektivt," forklarer professor Brès. "Vores arbejde forbedrer ikke kun sammenhængen af ​​disse lasere, men flytter også deres output mod det synlige spektrum, hvilket åbner nye veje for deres brug."

Kohærens refererer i denne sammenhæng til ensartetheden af ​​faserne af lysbølgerne udsendt af laseren. Høj sammenhæng betyder, at lysbølgerne er synkroniserede, hvilket fører til en stråle med en meget præcis farve eller frekvens. Denne egenskab er afgørende for applikationer, hvor præcision og stabilitet af laserstrålen er altafgørende, såsom tidtagning og præcisionsføling.

Øget nøjagtighed og forbedret funktionalitet

Holdets tilgang involverer at koble kommercielt tilgængelige halvlederlasere med en siliciumnitridchip. Denne lille chip er skabt med industristandard, omkostningseffektiv CMOS-teknologi. Takket være materialets exceptionelle egenskaber med lavt tab, er der lidt eller intet lys, der absorberes eller undslipper.

Lyset fra halvlederlaseren strømmer gennem mikroskopiske bølgeledere ind i ekstremt små hulrum, hvor strålen fanges. Disse hulrum, kaldet mikroringresonatorer, er indviklet designet til at give resonans ved specifikke frekvenser, selektivt forstærke de ønskede bølgelængder, mens de dæmper andre, og derved opnå forbedret kohærens i det udsendte lys.

Den anden væsentlige præstation er hybridsystemets evne til at fordoble frekvensen af ​​lyset, der kommer fra den kommercielle halvlederlaser – hvilket muliggør et skift fra det nær-infrarøde spektrum til det synlige lysspektrum.

Forholdet mellem frekvens og bølgelængde er omvendt proportional, hvilket betyder, at hvis frekvensen fordobles, reduceres bølgelængden til det halve. Mens det nær-infrarøde spektrum udnyttes til telekommunikation, er højere frekvenser afgørende for at bygge mindre, mere effektive enheder, hvor der er behov for kortere bølgelængder, såsom i atomure og medicinsk udstyr.

Disse kortere bølgelængder opnås, når det fangede lys i hulrummet gennemgår en proces kaldet all-optical poling, som inducerer, hvad der er kendt som anden-ordens ikke-linearitet i siliciumnitrid. Ikke-linearitet betyder i denne sammenhæng, at der er et betydeligt skift, et spring i størrelse, i lysets adfærd, som ikke er direkte proportional med dets frekvens, der opstår fra dets interaktion med materialet.

Siliciumnitrid pådrager sig normalt ikke denne specifikke andenordens ikke-lineære effekt, og holdet udførte en elegant ingeniørmæssig bedrift for at fremkalde det:Systemet udnytter lysets kapacitet, når det resonerer inde i hulrummet til at producere en elektromagnetisk bølge, der fremkalder de ikke-lineære egenskaber i materialet.

En muliggørende teknologi til fremtidige applikationer

"Vi forbedrer ikke kun eksisterende teknologi, men skubber også grænserne for, hvad der er muligt med halvlederlasere," siger Marco Clementi, der spillede en nøglerolle i projektet. "Ved at bygge bro mellem telekommunikation og synlige bølgelængder åbner vi døren til nye applikationer inden for områder som biomedicinsk billeddannelse og præcisionstidtagning."

En af de mest lovende anvendelser af denne teknologi er inden for metrologi, især i udviklingen af ​​kompakte atomure. Historien om navigationsfremskridt afhænger af portabiliteten af ​​nøjagtige ure – fra at bestemme længdegraden til søs i det 16. århundrede til at sikre nøjagtig navigation af rummissioner og opnå bedre geo-lokalisering i dag.

"Denne betydelige fremgang danner grundlaget for fremtidige teknologier, hvoraf nogle endnu mangler at blive udtænkt," bemærker Clementi.

Holdets dybe forståelse af fotonik og materialevidenskab vil potentielt føre til mindre og lettere enheder og sænke energiforbruget og produktionsomkostningerne for lasere. Deres evne til at tage et grundlæggende videnskabeligt koncept og omsætte det til en praktisk anvendelse ved hjælp af industristandardfremstilling understreger potentialet i at løse komplekse teknologiske udfordringer, der kan føre til uforudsete fremskridt.

Flere oplysninger: Marco Clementi et al., En anden harmonisk kilde i chipskala via selvindsprøjtningslåst optisk poling, Light:Science &Applications (2023). DOI:10.1038/s41377-023-01329-6

Journaloplysninger: Lys:Videnskab og applikationer

Leveret af Ecole Polytechnique Federale de Lausanne