Физики Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) создали компактный лазер, способный генерировать исключительно яркие и короткие световые импульсы в среднем инфракрасном диапазоне (mid-IR). Вся система интегрирована на одном чипе и полностью заменяет объемные фотонные устройства, традиционно использовавшиеся для подобных задач.
Впервые в журнале Nature описан чип, способный формировать пикосекундные лазерные импульсы в mid-IR без необходимости внешних компонентов. До этого момента устройства подобного класса требовали сложных схем и ряда отдельных элементов, что значительно ограничивало их применение и массовое производство.
Разработанный генератор реализует оптический частотный гребень — спектр с равномерно расположенными частотами. Это ключевой инструмент для высокоточных измерений, используемый в экологическом мониторинге, медицинской визуализации и других областях, где требуется сверхчувствительное определение множества веществ по их уникальным "отпечаткам" поглощения.
Руководство проектом осуществлял Федерико Капассо, профессор прикладной физики Гарварда и старший научный сотрудник по электротехнике. В работе участвовали коллеги из группы профессора Бенедикта Шварца (Венский технический университет, TU Wien), консорциум итальянских ученых под руководством Луиджи А. Луджиато (Университет Инсубрии), а также команда Leonardo DRS Daylight Solutions, возглавляемая Тимоти Дэем. Исследование поддержано Национальным научным фондом США и Министерством обороны.
Технология основана на интеграции нелинейной фотоники и квантово-каскадных лазеров (ККЛ), впервые разработанных Капассо в 1990-х годах. ККЛ используют наноструктурированные полупроводниковые материалы для генерации когерентного света в среднем ИК-диапазоне. В отличие от традиционных полупроводниковых лазеров, использующих режим "модовой синхронизации" для генерации импульсов, ККЛ крайне сложно заставить работать в импульсном режиме из-за сверхбыстрой динамики. Новый подход позволил обойти это ограничение.
Чип можно массово выпускать на промышленных лазерных фабриках, используя стандартные методы полупроводникового производства. Это открывает путь к коммерциализации компактных ИК-импульсных источников для мониторинга атмосферы, контроля промышленных процессов, исследований в области наук о жизни и медицинской диагностики.
Средний инфракрасный диапазон обладает уникальными свойствами: именно в этой области молекулы таких газов, как CO₂ и метан, поглощают излучение наиболее эффективно. Благодаря этому становится возможным создание универсальных сенсоров, способных фиксировать широкий спектр веществ по их индивидуальным спектрам поглощения. "Ключевой шаг к созданию сверхширокополосного источника — суперконтинуума на одном чипе", — отметил Дмитрий Казаков, соавтор исследования и научный сотрудник группы Капассо.
Вдохновением для архитектуры устройства послужили керровские микрорезонаторы — компактные элементы, управляющие светом на чипе. Исследователи отказались от классического подхода модовой синхронизации и объединили идеи, разработанные в области керровских резонаторов. "Мы объединили два направления...", — заявил Теодор Лецу, соавтор работы и аспирант MIT, работающий в группе Капассо.
В состав чипа входят кольцевой резонатор с внешним возбуждением, интегрированный лазер, управляющий этим резонатором, и второй активный кольцевой резонатор, выполняющий функцию фильтра. Производство чипов осуществлялось на мощностях TU Wien.
Идея устройства уходит корнями в 1980-е годы, когда профессор Луиджи Луджиато предложил теоретическую модель пассивных керровских резонаторов (уравнение Луджиато-Лефевра), легшую в основу современных солитонных гребней частот в ККЛ.
Технология продемонстрировала стабильную генерацию импульсов в течение нескольких часов. Все компоненты доступны для массового производства существующими промышленными методами, что впервые решает давнюю проблему "многокомпонентных архитектур" в интегрированной фотонике среднего ИК-диапазона. "Появилась уверенность в возможности изготовления и эксплуатации таких систем — а это было основным вызовом до сих пор", — подчеркнул Бенедикт Шварц из TU Wien.
Возможности нового чипа отмечает и промышленный партнер: "Эта технология обещает стать настоящим прорывом для спектроскопии в среднем инфракрасном диапазоне", — заявил Тимоти Дэй, старший вице-президент Leonardo DRS Daylight Solutions.
Результаты работы открывают путь к созданию компактных, эффективных и массово доступных устройств для экологического мониторинга, промышленной автоматизации, медицины и фундаментальных исследований.
Изображение носит иллюстративный характер
Впервые в журнале Nature описан чип, способный формировать пикосекундные лазерные импульсы в mid-IR без необходимости внешних компонентов. До этого момента устройства подобного класса требовали сложных схем и ряда отдельных элементов, что значительно ограничивало их применение и массовое производство.
Разработанный генератор реализует оптический частотный гребень — спектр с равномерно расположенными частотами. Это ключевой инструмент для высокоточных измерений, используемый в экологическом мониторинге, медицинской визуализации и других областях, где требуется сверхчувствительное определение множества веществ по их уникальным "отпечаткам" поглощения.
Руководство проектом осуществлял Федерико Капассо, профессор прикладной физики Гарварда и старший научный сотрудник по электротехнике. В работе участвовали коллеги из группы профессора Бенедикта Шварца (Венский технический университет, TU Wien), консорциум итальянских ученых под руководством Луиджи А. Луджиато (Университет Инсубрии), а также команда Leonardo DRS Daylight Solutions, возглавляемая Тимоти Дэем. Исследование поддержано Национальным научным фондом США и Министерством обороны.
Технология основана на интеграции нелинейной фотоники и квантово-каскадных лазеров (ККЛ), впервые разработанных Капассо в 1990-х годах. ККЛ используют наноструктурированные полупроводниковые материалы для генерации когерентного света в среднем ИК-диапазоне. В отличие от традиционных полупроводниковых лазеров, использующих режим "модовой синхронизации" для генерации импульсов, ККЛ крайне сложно заставить работать в импульсном режиме из-за сверхбыстрой динамики. Новый подход позволил обойти это ограничение.
Чип можно массово выпускать на промышленных лазерных фабриках, используя стандартные методы полупроводникового производства. Это открывает путь к коммерциализации компактных ИК-импульсных источников для мониторинга атмосферы, контроля промышленных процессов, исследований в области наук о жизни и медицинской диагностики.
Средний инфракрасный диапазон обладает уникальными свойствами: именно в этой области молекулы таких газов, как CO₂ и метан, поглощают излучение наиболее эффективно. Благодаря этому становится возможным создание универсальных сенсоров, способных фиксировать широкий спектр веществ по их индивидуальным спектрам поглощения. "Ключевой шаг к созданию сверхширокополосного источника — суперконтинуума на одном чипе", — отметил Дмитрий Казаков, соавтор исследования и научный сотрудник группы Капассо.
Вдохновением для архитектуры устройства послужили керровские микрорезонаторы — компактные элементы, управляющие светом на чипе. Исследователи отказались от классического подхода модовой синхронизации и объединили идеи, разработанные в области керровских резонаторов. "Мы объединили два направления...", — заявил Теодор Лецу, соавтор работы и аспирант MIT, работающий в группе Капассо.
В состав чипа входят кольцевой резонатор с внешним возбуждением, интегрированный лазер, управляющий этим резонатором, и второй активный кольцевой резонатор, выполняющий функцию фильтра. Производство чипов осуществлялось на мощностях TU Wien.
Идея устройства уходит корнями в 1980-е годы, когда профессор Луиджи Луджиато предложил теоретическую модель пассивных керровских резонаторов (уравнение Луджиато-Лефевра), легшую в основу современных солитонных гребней частот в ККЛ.
Технология продемонстрировала стабильную генерацию импульсов в течение нескольких часов. Все компоненты доступны для массового производства существующими промышленными методами, что впервые решает давнюю проблему "многокомпонентных архитектур" в интегрированной фотонике среднего ИК-диапазона. "Появилась уверенность в возможности изготовления и эксплуатации таких систем — а это было основным вызовом до сих пор", — подчеркнул Бенедикт Шварц из TU Wien.
Возможности нового чипа отмечает и промышленный партнер: "Эта технология обещает стать настоящим прорывом для спектроскопии в среднем инфракрасном диапазоне", — заявил Тимоти Дэй, старший вице-президент Leonardo DRS Daylight Solutions.
Результаты работы открывают путь к созданию компактных, эффективных и массово доступных устройств для экологического мониторинга, промышленной автоматизации, медицины и фундаментальных исследований.
