ساخت نخستین ابرلیزر روی ریز تراشه

پژوهشگران سوییسی نخستین لیزر مینیاتوری تراشه ای مقرون به صرفه جهان را ساخته اند که می تواند به تحول صنایع مخابرات، پزشکی و لوازم الکترونیکی منجر شود.

گزارش خبرگزاری علم و فناوری نادیاتور به نقل ازاینترستینگ اینجینیرینگ، محققان دانشگاه پلی تکنیک فدرال لوزان (EPFL) نخستین لیزر یکپارچه تراشه ای جهان را ساخته اند که با عملکرد لیزر های بر پایه فیبر معمولی مطابقت دارد. این دستاورد می تواند به توسعه لیزر های کوچکتر، قابل حمل و مقرون به صرفه برای زمینه های مختلف کمک کند.

لیزر ها از زمان عرضه شان در 1960، نحوه کار جهان ما را تغییر داده اند و از تولید دقیق و جراحی های مدرن گرفته تا مخابرات و چاپ، به سرعت به بخش ضروری از دنیای امروزی تبدیل شده اند.

همانطور که کاربرد ها افزایش می یابد، نیاز به توسعه لیزر های کوچکتری که تولید ارزان تر و کارکرد آسان تری داشته باشند بیشتر حس می شود. محققان روی کوچک کردن لیزر های مبتنی بر فیبر کار کرده اند که به دلیل پرتو های باکیفیت، توان خروجی بالا و نویز کم، الگوی اصلی در بین لیزر ها محسوب می شوند.

اکنون یک گروه تحقیقاتی به سرپرستی «توبیاس کیپنبرگ» «Tobias Kippenberg» استاد فیزیک در EPFL، نوعی لیزر موج بَر دوپ شده با اِربیوم تعبیه در یک تراشه فوتونیک، ساختند که ویژگی های پرتویی ارایه می دهد که شبیه به لیزر های مبتنی بر فیبر است. اربیوم یک عنصر خاکی کمیاب است که به عنوان منبع نور در لیزر عمل می کند.

آنها برای رسیدن به این هدف از یک فرآیند ساخت پیشرفته استفاده، و شروع به ایجاد یک حفره نوری روی تراشه به طول یک متر روی مدار فوتونیکی نیترید سیلیکون کردند. حفره نوری مجموعه ای از آینه ها است که بازخورد نوری را ارایه می دهد. سپس یون های اربیوم را در مدار قرار دادند تا افزایش نیروی مورد نیاز برای لیزر را ایجاد کنند و آن را با یک پمپ نیمه رسانا برای تحریک یون های اربیوم، انتشار نور و تولید پرتو لیزر ادغام کردند.

کارکرد لیزر چگونه است؟

باریکی پرتو لیزر به آن اجازه می دهد تا نور ثابتی تولید کند که برای کاربرد های مختلف از LiDAR تا سنجش، ساخت ژیروسکوپ و سنجه شناسی با استفاده از فرکانس نوری ضروری است.

محققان پس از آزمایش این دستگاه تایید کردند پرتو لیزر آنها توان خروجی 10 مگاوات و نسبت سرکوب جانبی بیش از 70 دسیبل را دارد. این ویژگی بسیار برتر از سیستم های لیزری معمولی است.

زمینه ای که لیزر در آن عملکرد بهتری نسبت به لیزر های مبتنی بر فیبر داشت، قابلیت تنظیم طول موج بیش از 40 نانومتر در باند های C و L بود. این طول موج ها برای کاربرد های مخابراتی مهم هستند و لیزر تراشه فوتونیک می تواند به ارایه سیستم های بهتر کمک کند.
این قابلیت ها در سیستم لیزر تراشه های فوتونیکی به دلیل نوآوری هایی مانند طراحی درون حفره ای، امکان پذیر بود، جایی که محققان از فیلتر های «ورنیه» برپایه میکرورینگ استفاده کردند.

مجریان این پروژه می گویند به لطف ادغام این تشدیدگر های میکرورینگ که به طور موثر، مسیر نوری را بدون بزرگ کردن فیزیکی دستگاه گسترش می دهند، توانستیم حفره لیزری را طوری طراحی کنیم که طول آن در مقیاس متر باشد.

این به فیلتر اجازه می دهد تا از فرکانس های نوری خاص و تنظیم پویا طول موج لیزر در طیف وسیعی استفاده کند. لیزر، نور را با یک فرکانس ثابت ساطع می کند در حالی که فرکانس های دیگر را به حداقل می رساند (حالت جانبی)؛ ویژگی که به آن کمک می کند نسبت سرکوب جانبی برتری که پیشتر ذکر شد، ارایه دهد.

به گفته محققان سوییسی کوچک کردن چنین لیزر های اربیومی در دستگاه هایی در مقیاس تراشه نیز مفید است، زیرا هزینه ها را کاهش می دهد و ادغام آنها در کاربرد هایی مانند مخابرات، تشخیص پزشکی و لوازم الکترونیکی مصرفی را آسان تر می کند.

نتایج این تحقیقات در نشریه Nature Photonics منتشر شده است.

ساخت نخستین ابرلیزر روی ریز تراشه