Teamet vid EPFL:s Photonic Systems Laboratory (PHOSL) har utvecklat en laserkälla i chipsskala som förbättrar prestandan hos halvledarlasrar samtidigt som den möjliggör generering av kortare våglängder.
Detta banbrytande arbete, ledd av professor Camille Brès och postdoktorn Marco Clementi från EPFL:s School of Engineering representerar ett betydande framsteg inom fotonikområdet, med implikationer för telekommunikation, metrologi och andra högprecisionstillämpningar.
Studien, publicerad i tidskriften Light:Science &Applications , avslöjar hur PHOSL-forskarna, i samarbete med Laboratory of Photonics and Quantum Measurements, framgångsrikt har integrerat halvledarlasrar med fotoniska kretsar av kiselnitrid som innehåller mikroresonatorer. Denna integrering resulterar i en hybridenhet som avger mycket enhetligt och exakt ljus i både nära-infrarött och synligt område, och fyller ett tekniskt gap som länge har utmanat branschen.
"Halvledarlasrar finns överallt i modern teknik, som finns i allt från smartphones till fiberoptisk kommunikation. Men deras potential har begränsats av bristande koherens och oförmåga att generera synligt ljus effektivt", förklarar professor Brès. "Vårt arbete förbättrar inte bara sammanhållningen hos dessa lasrar utan förskjuter också deras uteffekt mot det synliga spektrumet, vilket öppnar nya vägar för deras användning."
Koherens, i detta sammanhang, hänvisar till enhetligheten i faserna av ljusvågorna som emitteras av lasern. Hög koherens betyder att ljusvågorna är synkroniserade, vilket leder till en stråle med en mycket exakt färg eller frekvens. Denna egenskap är avgörande för applikationer där precision och stabilitet hos laserstrålen är av största vikt, såsom tidtagning och precisionsavkänning.
Teamets tillvägagångssätt går ut på att koppla kommersiellt tillgängliga halvledarlasrar med ett kiselnitridchip. Detta lilla chip är skapat med industristandard, kostnadseffektiv CMOS-teknik. Tack vare materialets exceptionella lågförlustegenskaper finns det lite eller inget ljus som absorberas eller försvinner.
Ljuset från halvledarlasern strömmar genom mikroskopiska vågledare in i extremt små hålrum, där strålen fångas. Dessa kaviteter, kallade mikroringresonatorer, är intrikat utformade för att resonera vid specifika frekvenser, selektivt förstärka de önskade våglängderna samtidigt som de dämpar andra, och därigenom uppnå förbättrad koherens i det emitterade ljuset.
Den andra betydande prestationen är hybridsystemets förmåga att fördubbla frekvensen av ljuset som kommer från den kommersiella halvledarlasern – vilket möjliggör en förskjutning från det nära-infraröda spektrumet till det synliga ljusspektrumet.
Förhållandet mellan frekvens och våglängd är omvänt proportionellt, vilket innebär att om frekvensen fördubblas, reduceras våglängden med hälften. Medan det nära-infraröda spektrumet utnyttjas för telekommunikation, är högre frekvenser avgörande för att bygga mindre, mer effektiva enheter där kortare våglängder behövs, till exempel i atomur och medicinsk utrustning.
Dessa kortare våglängder uppnås när det fångade ljuset i kaviteten genomgår en process som kallas helt optisk polning, vilket inducerar vad som kallas andra ordningens olinjäritet i kiselnitriden. Icke-linjäritet i detta sammanhang betyder att det finns en betydande förändring, ett hopp i storlek, i ljusets beteende som inte är direkt proportionell mot dess frekvens som uppstår från dess interaktion med materialet.
Kiselnitrid ådrar sig normalt inte denna specifika icke-linjära effekt av andra ordningen, och teamet utförde en elegant ingenjörsbragd för att framkalla den:Systemet drar fördel av ljusets kapacitet när det resonerar inuti kaviteten för att producera en elektromagnetisk våg som provocerar de olinjära egenskaperna i materialet.
"Vi förbättrar inte bara befintlig teknik utan tänjer också på gränserna för vad som är möjligt med halvledarlasrar", säger Marco Clementi, som spelade en nyckelroll i projektet. "Genom att överbrygga gapet mellan telekom och synliga våglängder öppnar vi dörren till nya tillämpningar inom områden som biomedicinsk bildbehandling och precisionstidtagning."
En av de mest lovande tillämpningarna av denna teknik är inom metrologi, särskilt i utvecklingen av kompakta atomur. Historien om navigationsframsteg beror på portabiliteten av exakta klockor – från att bestämma longitud till sjöss på 1500-talet till att säkerställa korrekt navigering av rymduppdrag och att uppnå bättre geolokalisering idag.
"Detta betydande framsteg lägger grunden för framtida teknologier, av vilka en del ännu inte har utvecklats", konstaterar Clementi.
Teamets djupa förståelse för fotonik och materialvetenskap kommer potentiellt att leda till mindre och lättare enheter och sänka energiförbrukningen och produktionskostnaderna för lasrar. Deras förmåga att ta ett grundläggande vetenskapligt koncept och omsätta det till en praktisk tillämpning med industristandardtillverkning understryker potentialen i att lösa komplexa tekniska utmaningar som kan leda till oförutsedda framsteg.
Mer information: Marco Clementi et al, En andraharmonisk källa i chipsskala via självinsprutningslåst helt optisk poling, Light:Science &Applications (2023). DOI:10.1038/s41377-023-01329-6
Journalinformation: Ljus:Vetenskap och tillämpningar
Tillhandahålls av Ecole Polytechnique Federale de Lausanne
