В выпуске журнала Nature Photonics на этой неделе исследователи из Массачусетского технологического института и национальных лабораторий Sandia описывают новый способ создания терагерцовых лазеров, которые могут значительно снизить их энергопотребление и размер, а также дать им возможность излучать более плотные лучи, что является важным требованием для большинства практических приложений.Работа также представляет собой принципиально новый подход к проектированию лазеров, который может иметь разветвления и для лазеров видимого света.Устройство исследователей представляет собой набор из 37 микроволоконных лазеров на одном чипе.
Его требования к мощности настолько низки, потому что излучение, излучаемое всеми лазерами, "синхронизировано по фазе", что означает, что впадины и гребни его волн идеально выровнены. Устройство представляет собой принципиально новый способ фазовой синхронизации решеток лазеров.В своей статье исследователи определили четыре предыдущих метода фазовой синхронизации, но все они имеют недостатки на микромасштабе. Некоторые требуют размещения фотонных компонентов настолько близко друг к другу, что их будет сложно изготовить.
Другие требуют дополнительных фотонных компонентов вне кристалла, которые должны быть точно расположены относительно лазеров. Массивы Ху и его коллег, напротив, являются монолитными, то есть полностью вытравлены из единого блока материала.«Вся эта работа основана на технологии антенной инженерии», — говорит Цин Ху, выдающийся профессор электротехники и информатики Массачусетского технологического института, группа которого возглавила новую работу. «Мы работаем над лазерами, и обычно люди разделяют это на фотонику.
И микроволновая инженерия — это действительно другое сообщество, и у них совсем другой образ мышления. Мы действительно были очень вдумчиво вдохновлены технологией микроволновых инженеров и кое-чего достигли. это совершенно концептуально новое ".
Оставаться сосредоточеннымЛазерный массив исследователей основан на том же принципе, что и теле- и радиовещание.
Электрический ток, проходящий через радиоантенну, создает электромагнитное поле, а электромагнитное поле индуцирует соответствующий ток в соседних антеннах. В установке Ху и его коллег каждый лазер генерирует электромагнитное поле, которое индуцирует ток в лазерах вокруг него, что синхронизирует фазу испускаемого ими излучения.
В этом подходе используется то, что ранее считалось недостатком малых лазеров. Лазеры в масштабе микросхемы были активной областью исследований на протяжении десятилетий для потенциальных применений в межкристаллической связи внутри компьютеров, а также в экологических и биохимических исследованиях.
Но по мере уменьшения размеров лазера излучение, которое он излучает, становится более рассеянным. «Это не что иное, как указатель с лазерным лучом», — объясняет Ху. «Он действительно излучает повсюду, как крошечная антенна».Если лазер в масштабе чипа предназначен для излучения в одном направлении, то любое излучение, которое он излучает в боковых направлениях, тратится впустую и увеличивает его энергопотребление. Но конструкция Ху и его коллег отражает это излучение в боковом направлении.
Фактически, чем больше излучателей они добавляют к своей матрице, тем больше излучаемого в боковом направлении излучения повторно захватывается, что снижает порог мощности, при котором матрица будет производить лазерный свет. А поскольку излучение, излучаемое сбоку, может распространяться на большие расстояния, аналогичные преимущества должны возрастать по мере того, как массивы становятся еще больше.«Я твердо верю, что все физические явления могут быть за и против», — говорит Ху. «Нельзя просто однозначно сказать, что такое-то поведение всегда хорошо или плохо».Затягивание
По большей части энергия повторно захваченного бокового излучения переизлучается в направлении, перпендикулярном решетке. Таким образом, луч, излучаемый антенной решеткой, намного более плотный, чем луч, излучаемый другими экспериментальными лазерами в масштабе чипа.
А плотный луч необходим для большинства предполагаемых применений терагерцового излучения.В приложениях безопасности, например, терагерцовое излучение будет направлено на химический образец, который будет поглощать одни частоты больше, чем другие, создавая характерные отпечатки пальцев поглощения. Чем плотнее пучок, тем больше излучения достигает как образца, так и детектора, что дает более четкий сигнал.
К Ху присоединяется к работе первый автор Цун-Ю Као, который на момент завершения работы был аспирантом Массачусетского технологического института по электротехнике, а теперь является главным техническим директором компании LongWave Photonics, занимающейся продажей терагерцовых лазеров, и Джоном Рино из Сандийские национальные лаборатории.