Kako tehnologije nastavljaju da napreduju eksponencijalnom brzinom i shodno tome raste potražnja za novim uređajima, minijaturizacija sistema u čipove postaje sve važnija. Mikroelektronika je promenila način na koji manipulišemo električnom energijom, omogućavajući sofisticirane elektronske proizvode koji su sada suštinski deo našeg svakodnevnog života. Slično tome, integrisana fotonika je revolucionirala način na koji kontrolišemo svetlost za aplikacije kao što su komunikacija podataka, slikanje, sensing i biomedicinski uređaji. Usmeravanjem i oblikovanjem svetlosti korišćenjem komponenti na mikro i nanorazmeri, integrisana fotonika smanjuje kompletne optičke sisteme u veličinu sitnih čipova.
Uprkos uspehu, integrisanoj fotonici je nedostajala ključna komponenta za postizanje potpune minijaturizacije: laseri čipova visokih performansi. Iako je postignut određeni napredak u vezi sa laserima blizu infracrvenog zračenja, laseri vidljive svetlosti koji trenutno hrane fotonske čipove su još uvek na stolu i skupi. Pošto je vidljiva svetlost neophodna za širok spektar primena, uključujući kvantnu optiku, displeje i bioimadžing, postoji potreba za podesivim i uskim laserima na čipu sa uskim linijama koji emituju svetlost različitih boja.
Istraživači iz kompanije Columbia Engineering Lipson Nanophotonics Group kreirali su vidljive lasere veoma čistih boja od skoro ultraljubičastih do skoro infracrvenih koji staju na vrh prsta. Boje lasera mogu se precizno podesiti i izuzetno brzo – do 267 petaherca u sekundi, što je kritično za aplikacije kao što je kvantna optika. Tim je prvi koji je demonstrirao lasere sa uskim linijama i podesivim laserima na skali čipa za boje svetlosti ispod crvene — zelenu, cijan, plavu i ljubičastu. Ovi jeftini laseri takođe imaju najmanji otisak i najkraću talasnu dužinu (404 nm) od bilo kog podesivog integrisanog lasera uske širine koji emituje vidljivu svetlost. Studija, koja je prvi put predstavljena na sesiji CLEO 2021 nakon krajnjeg roka 14. maja 2021, objavljena je na mreži 23. decembra 2022. od strane Nature Photonics.
„Ono što je uzbudljivo u vezi sa ovim radom je to što smo iskoristili moć integrisane fotonike da razbijemo postojeću paradigmu da vidljivi laseri visokih performansi moraju da budu stoni i koštaju desetine hiljada dolara“, kaže glavni autor studije Mateus Korato Zanarella, a Ph.D. student koji radi sa Michalom Lipsonom, Higinsovim profesorom elektrotehnike i profesorom primenjene fizike. „Do sada je bilo nemoguće smanjiti i masovno primeniti tehnologije koje zahtevaju podesive i vidljive lasere uske širine. Značajan primer je kvantna optika, koja zahteva lasere visokih performansi nekoliko boja u jednom sistemu. Očekujemo da će naši nalazi omogućiće potpuno integrisane sisteme vidljive svetlosti za postojeće i nove tehnologije“.
Važnost lasera koji emituju talasne dužine kraće od crvene je jasna kada uzmete u obzir neke važne aplikacije. Displeji, na primer, zahtevaju crvenu, zelenu i plavu svetlost istovremeno da bi napravili bilo koju boju. U kvantnoj optici, zeleni, plavi i ljubičasti laseri se koriste za hvatanje i hlađenje atoma i jona. U podvodnom Lidaru (detekcija svetlosti i domet), zeleno ili plavo svetlo je potrebno da bi se izbegla apsorpcija vode. Međutim, na talasnim dužinama kraćim od crvene, gubici spajanja i propagacije fotonskih integrisanih kola značajno se povećavaju, što je sprečilo realizaciju lasera visokih performansi na ovim bojama.
Istraživači su rešili problem gubitka spajanja tako što su izabrali Fabri-Perot (FP) diode kao izvore svetlosti, što minimizira uticaj gubitaka na performanse lasera na skali čipa. Za razliku od drugih strategija koje koriste različite tipove izvora, pristup tima omogućava realizaciju lasera na rekordno kratkim talasnim dužinama (404 nm) dok istovremeno obezbeđuje skalabilnost do velikih optičkih snaga, FP laserske diode su jeftine i kompaktne poluprovodničke lasere koji se široko koriste u istraživanja i industrije. Međutim, oni emituju svetlost nekoliko talasnih dužina istovremeno i nisu lako podesivi, sprečavajući ih da se direktno koriste za aplikacije koje zahtevaju čiste i precizne lasere. Kombinujući ih sa specijalno dizajniranim fotonskim čipom, istraživači su u mogućnosti da modifikuju lasersku emisiju tako da bude jednofrekventna, uske širine i široko podesiva.
Tim je prevazišao problem gubitka prostiranja tako što je dizajnirao platformu koja istovremeno minimizira i apsorpciju materijala i gubitke površinskog rasejanja za sve vidljive talasne dužine. Da bi vodili svetlost, koristili su silicijum nitrid, dielektrik koji se široko koristi u industriji poluprovodnika koji je providan za vidljivu svetlost svih boja. Iako postoji minimalna apsorpcija, svetlost i dalje doživljava gubitak usled neizbežne hrapavosti procesa proizvodnje. Tim je rešio ovaj problem dizajnom fotonskog kola sa posebnim tipom prstenastog rezonatora. Prsten ima promenljivu širinu duž svog obima, što omogućava rad u jednom modu karakterističan za uske talasovode i karakterističan nizak gubitak za široke talasovode. Rezultirajuće fotonsko kolo obezbeđuje optičku povratnu vezu selektivnu talasnu dužinu FP diodama koja primorava laser da emituje na jednoj željenoj talasnoj dužini sa veoma uskom linijom.
„Kombinovanjem ovih zamršeno dizajniranih delova, uspeli smo da napravimo robusnu i raznovrsnu platformu koja je skalabilna i radi za sve boje svetlosti“, rekao je Corato Zanarella.
„Kao proizvođač lasera shvatamo da će integrisana fotonika imati ogroman uticaj na našu industriju i da će omogućiti novu generaciju aplikacija koje su do sada bile nemoguće“, rekao je Chris Haimberger, direktor laserske tehnologije, TOPTICA Photonics, Inc. „Ovo rad predstavlja važan korak napred u potrazi za kompaktnim i podesivim vidljivim laserima koji će pokretati budući razvoj u računarstvu, medicini i industriji.“
Istraživači, koji su podneli privremeni patent za svoju tehnologiju, sada istražuju kako da optički i električni pakuju lasere kako bi ih pretvorili u samostalne jedinice i koristili ih kao izvore u motorima vidljive svetlosti veličine čipa, kvantnim eksperimentima i optičkim satovima.
„Da bismo krenuli napred, moramo biti u mogućnosti da minijaturiziramo i skaliramo ove sisteme, omogućavajući im da na kraju budu ugrađeni u masovno raspoređene tehnologije“, rekao je Lipson, pionir u silicijumskoj fotonici čije je istraživanje snažno oblikovalo polje od samog početka. decenijama unazad, sa temeljnim doprinosima u aktivnim i pasivnim uređajima koji su deo bilo kog trenutnog fotonskog čipa. Ona je dodala: „Integrisana fotonika je uzbudljivo polje koje zaista revolucioniše naš svet, od optičkih telekomunikacija do kvantnih informacija do biosenzivanja.
