Исследователи из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) и Венского технического университета (TU Wien) изобрели новый тип перестраиваемого полупроводникового лазера, который сочетает в себе лучшие характеристики современных передовых лазерных устройств. Устройство демонстрирует плавную, надёжную настройку длины волны в широком диапазоне в простой конструкции размером с чип.
Перестраиваемые лазеры, или лазеры, длину волны излучения которых можно изменять и контролировать, являются неотъемлемой частью многих технологий: от высокоскоростных телекоммуникаций до медицинской диагностики и проверки безопасности газовых трубопроводов.
Однако лазерные технологии имеют множество 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, поскольку обычно требуют наличия движущихся частей.
Новое гарвардское устройство может однажды заменить многие типы перестраиваемых лазеров в более компактном и экономически эффективном корпусе.
Исследование опубликовано в Optica и проводилось 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.
Изначально исследователи продемонстрировали лазер, излучающий свет в диапазоне средних инфракрасных волн, поскольку именно в этом диапазоне обычно работают квантовые каскадные лазеры, на основе которых построена их архитектура.
«Универсальность этой новой платформы означает, что аналогичные лазеры могут быть изготовлены на более коммерчески релевантных длинах волн, например, для телекоммуникационных приложений, медицинской диагностики или для любого лазера, излучающего в видимом спектре света», — сказал Капассо, который в 1994 году стал одним из изобретателей квантового каскадного лазера.
Новый лазер состоит из множества крошечных кольцевых лазеров, каждый из которых имеет немного разный размер и все подключены к одному волноводу. Каждый кольцевой лазер излучает свет определённой длины волны, и, регулируя входной электрический ток, лазер может плавно переключаться между разными длинами волн.
Умный и компактный дизайн обеспечивает, что лазер излучает только одну длину волны за раз, остаётся стабильным даже в суровых условиях и может быть легко масштабирован. Кольца работают либо по одному, либо все вместе, чтобы сформировать более мощный луч.
«Регулируя размер кольца, мы можем эффективно настроить любую линию, которую хотим, и любую частоту генерации, которую хотим», — сказал соавтор исследования Теодор Летсу, аспирант Массачусетского технологического института и научный сотрудник в лаборатории Капассо в Гарварде.
«Все лучи от каждого лазера объединяются через один волновод и формируют один луч. Это довольно мощная технология, поскольку 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.
Команда изготовила устройства в чистых помещениях, предоставляемых Центром микро- и наноструктур школы.
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, обратного отражения не происходит.
Новый кольцевой лазер может заменить существующие технологии для различных типов перестраиваемых 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.
Лазеры с внешней полостью, с другой стороны, имеют более широкий диапазон настройки, но более сложную конструкцию и движущиеся части, что приводит к тому, что их лазерные линии имеют тенденцию пропускать. 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.
Статья написана в соавторстве с Дмитрием Казаковым и Рольфом Седлаком. Команда сотрудничала с Гарвардским управлением по технологиям и Управлением по патентам и лицензиям TU Wien для защиты интеллектуальной собственности, лежащей в основе разработки, с целью коммерциализации этой идеи в будущем.
Предоставлено:
Гарвардская школа инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона
Optica and was co-led by Federico Capasso, the Robert L. Wallace Professor of Applied Physics and Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering at SEAS, and Professor Benedikt Schwarz at TU Wien, with whom Capasso’s group has maintained a longstanding research partnership.”,”The researchers initially demonstrated a laser that emits light in the mid-infrared wavelength range because that’s where quantum cascade lasers, upon which their architecture is based, typically emit.”,”\”The versatility of this new platform means that similar lasers can be fabricated at more commercially relevant wavelengths, such as for telecommunications applications, for medical diagnostics, or for any laser that emits in the visible spectrum of light,\” said Capasso, who co-invented the quantum cascade laser in 1994.“,”The new laser consists of multiple tiny ring-shaped lasers, each a slightly different size, and all connected to the same waveguide. Each ring emits light of a different wavelength, and by adjusting electric current input, the laser can smoothly tune between different wavelengths.”,”The clever and compact design ensures the laser emits only one wavelength at a time, remains stable even in harsh environments, and can be easily scaled. The rings function either one at a time or all together to make a stronger beam.”,”\”By adjusting the size of the ring, we can effectively target any line we want, and any lasing frequency we want,\” said co-lead author Theodore Letsou, an MIT graduate student and research fellow in Capasso’s lab at Harvard.”,”\”All the light from every single laser gets coupled through the same waveguide and is formed into the same beam. This is quite powerful, because we can extend the tuning range of typical semiconductor lasers, and we can target individual wavelengths using a different ring radius.\””,”\”What’s really nice about our laser is the simplicity of fabrication,\” added co-lead author Johannes Fuchsberger, a graduate student at TU Wien, where the team fabricated the devices using the cleanroom facilities permanently provided by the school’s Center for Micro and Nanostructures. \”We have no mechanically movable parts and an easy fabrication scheme that results in a small footprint.\””,”The laser’s unique architecture also guards against common problems like optical feedback, or when some laser light gets reflected backward into the source and can cause destabilization. Since the new laser’s rings emit unidirectionally, either clockwise or counterclockwise, there’s no chance of back-reflection.”,”The new ring laser could possibly replace current technologies for different types of tunable semiconductor lasers that each have strengths and drawbacks depending on the application. For example, distributed feedback lasers make smooth and accurate beams and are therefore used in telecommunications fiber to send optical signals long distances, but their tuning range is narrow.”,”External cavity lasers, on the other hand, have broader tuning ranges but more complex designs and moving parts, which makes their laser lines tend to skip around.”,”These are commonly used in gas sensors that test for leaks in pipelines, because they can detect gases like methane and carbon dioxide which absorb light at distinct wavelengths.”,”The paper was co-authored by Dmitry Kazakov and Rolf Szedlak. The team has worked in collaboration with the Harvard Office of Technology Development and the TU Wien Patent and License Management Office to protect the underlying intellectual property, with the goal of commercializing this idea in the future.”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tHarvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Optics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник