Исследователи из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) и Венского технического университета (TU Wien) изобрели новый тип настраиваемого полупроводникового лазера, который сочетает в себе лучшие характеристики современных передовых лазерных устройств.
Основные характеристики нового лазера
- Плавная и надёжная настройка длины волны в широком диапазоне.
- Простая конструкция размером с чип.
Применение настраиваемых лазеров
Настраиваемые лазеры, или лазеры, длина волны излучения которых может быть изменена и контролируема, являются неотъемлемой частью многих технологий:
- высокоскоростные телекоммуникации;
- медицинская диагностика;
- проверка безопасности газовых трубопроводов.
Однако лазерные технологии сталкиваются с множеством компромиссов. Например, лазеры, излучающие в широком диапазоне длин волн, жертвуют точностью каждого цвета. А лазеры, которые могут точно настраиваться на множество цветов, усложняются и дорожают из-за необходимости движущихся частей.
Инновация из Гарварда
Новое гарвардское устройство может однажды заменить многие типы настраиваемых лазеров в более компактном и экономически эффективном корпусе.
Исследование опубликовано в журнале Optica под руководством Федерико Капассо, профессора прикладной физики Роберта Л. Уоллеса и старшего научного сотрудника Винтона Хейса в области электротехники в SEAS, и профессора Бенедикта Шварца в TU Wien.
Принцип работы нового лазера
Новый лазер состоит из множества крошечных кольцевых лазеров, каждый из которых имеет немного разный размер и соединён с одним волноводом. Каждый кольцевой лазер излучает свет определённой длины волны, и, регулируя входной электрический ток, лазер может плавно переключаться между разными длинами волн.
Преимущества конструкции
- Компактность и простота: кольца функционируют либо по одному, либо все вместе, чтобы создать более мощный луч.
- Стабильность: устройство остаётся стабильным даже в суровых условиях.
- Масштабируемость: конструкция легко масштабируется.
Будущее технологии
«Регулируя размер кольца, мы можем эффективно настроить любую линию, которую захотим, и любую частоту генерации, которую захотим», — сказал соавтор исследования Теодор Летсу, аспирант Массачусетского технологического института и научный сотрудник в лаборатории Капассо в Гарварде.
«Всё лазерное излучение от каждого лазера объединяется через один волновод и формируется в один луч. Это очень мощно, потому что мы можем расширить диапазон настройки типичных полупроводниковых лазеров и настроить отдельные длины волн, используя разный радиус кольца», — добавил соавтор исследования Йоханнес Фуксбергер, аспирант TU Wien.
«Что действительно приятно в нашем лазере, так это простота изготовления», — добавил соавтор исследования Йоханнес Фуксбергер, аспирант TU Wien.
Преимущества перед существующими технологиями
Уникальная архитектура лазера также защищает от распространённых проблем, таких как оптическая обратная связь, когда часть лазерного света отражается обратно в источник и может вызвать дестабилизацию. Поскольку новые кольцевые лазеры излучают однонаправленно, по часовой стрелке или против часовой стрелки, вероятность обратного отражения исключена.
Новый кольцевой лазер может заменить существующие технологии для различных типов настраиваемых полупроводниковых лазеров, каждый из которых имеет свои сильные и слабые стороны в зависимости от применения. Например, лазеры с распределённой обратной связью создают плавные и точные лучи и поэтому используются в телекоммуникационных волокнах для передачи оптических сигналов на большие расстояния, но их диапазон настройки узок.
Внешние резонаторные лазеры, с другой стороны, имеют более широкий диапазон настройки, но более сложную конструкцию и движущиеся части, что приводит к «скачкам» лазерных линий. Они обычно используются в газовых датчиках, которые проверяют утечки в трубопроводах, поскольку могут обнаруживать такие газы, как метан и углекислый газ, которые поглощают свет на определённых длинах волн.
Авторы статьи — Дмитрий Казаков и Рольф Седлак. Команда сотрудничала с Гарвардским офисом по развитию технологий и Управлением по патентам и лицензиям TU Wien для защиты интеллектуальной собственности и коммерциализации этой идеи в будущем.
\[Предоставлено Гарвардской школой инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона\]