Τα βασικά σημεία του άρθρου
- Ερευνητές από το Ομοσπονδιακό Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Λωζάνης (EPFL) ανακοίνωσαν το πρώτο υπερταχύ λέιζερ ενσωματωμένο σε ένα φωτονικό τσιπ, το οποίο αποδίδει ενέργεια 1,05 nanojoule σε εξαιρετικά σύντομους παλμούς, διάρκειας μόλις 147 femtosecond.
- Η επιτυχής σμίκρυνση υπερταχέων λέιζερ τέτοιου μεγέθους θα μπορούσε να επιτρέψει τη δημιουργία εξαιρετικά προηγμένων τεχνολογιών ανίχνευσης, να βελτιώσει την ιατρική απεικόνιση και ενδεχομένως να ανοίξει τον δρόμο για ατομικά ρολόγια επόμενης γενιάς. Για περισσότερα από είκοσι χρόνια, ένα λέιζερ femtosecond υψηλής ενέργειας παλμού σε τσιπ θεωρούνταν «το άγιο δισκοπότηρο της ολοκληρωμένης φωτονικής».
- Για την επίτευξη αυτού του στόχου, η ομάδα του EPFL αξιοποίησε έναν ταλαντωτή Mamyshev, μια σχεδιαστική προσέγγιση που χαρακτήρισε ως «σε μεγάλο βαθμό παραγνωρισμένη». Το σχέδιο είναι ιδιαίτερα ελκυστικό επειδή δεν απαιτεί κανένα εξάρτημα που να είναι δύσκολο να κατασκευαστεί σε αυτό το τσιπ νιτριδίου του πυριτίου και μπορεί να παραχθεί μαζικά.
Ερευνητές από το Ομοσπονδιακό Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Λωζάνης (EPFL) ανακοίνωσαν το πρώτο υπερταχύ λέιζερ ενσωματωμένο σε ένα φωτονικό τσιπ, το οποίο αποδίδει ενέργεια 1,05 nanojoule σε εξαιρετικά σύντομους παλμούς, διάρκειας μόλις 147 femtosecond.
Η ερευνητική ομάδα πίσω από αυτό το επίτευγμα δήλωσε ότι η επιτυχής σμίκρυνση υπερταχέων λέιζερ τέτοιου μεγέθους —από μεγάλα εργαστηριακά μοντέλα σε μέγεθος μικροτσίπ— θα μπορούσε να επιτρέψει τη δημιουργία εξαιρετικά προηγμένων τεχνολογιών ανίχνευσης, να βελτιώσει την ιατρική απεικόνιση και ενδεχομένως να ανοίξει τον δρόμο για ατομικά ρολόγια επόμενης γενιάς, προορισμένα για μελλοντικές εφαρμογές επικοινωνίας και πλοήγησης.
Τα υπερταχέα λέιζερ σε κλίμακα μικροτσίπ παρέμεναν ένα άπιαστο “Άγιο Δισκοπότηρο” της φωτονικής
Σε δήλωσή του για την ανακοίνωση αυτού του επιτεύγματος, ο επικεφαλής της ομάδας και καθηγητής του EPFL, Τομπίας Τζ. Κίπενμπεργκ, εξήγησε ότι τα υπερταχέα λέιζερ εκπέμπουν εξαιρετικά σύντομους παλμούς φωτεινής ενέργειας που διαρκούν μόλις λίγα εκατοστά του τρισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου (femtoseconds).
Παρόλο που η ανάπτυξη αυτής της κατηγορίας λέιζερ έχει επιτρέψει τη μικροκατεργασία εξαιρετικής ακρίβειας, τη δημιουργία ατομικών ρολογιών και τις προηγμένες οφθαλμολογικές επεμβάσεις, η ομάδα σημειώνει ότι αυτή η “ογκώδης” τεχνολογία περιοριζόταν μέχρι σήμερα σε μεγάλους εργαστηριακούς πάγκους οπτικών συστημάτων.
Στο άλλο άκρο του φάσματος, οι μηχανικοί έχουν κατασκευάσει εξαιρετικά μικρά φωτονικά τσιπ που κατευθύνουν το φως με παρόμοιο τρόπο όπως οι παραδοσιακοί μικροεπεξεργαστές διοχετεύουν τον ηλεκτρισμό για να εκτελέσουν υπολογισμούς.
Ορισμένα σχέδια φωτονικών τσιπ χρησιμοποιούνται ήδη ευρέως στη βιομηχανία των επικοινωνιών. Ωστόσο, η ενσωμάτωση της τεχνολογίας των υπερταχέων λέιζερ σε ένα μικρότερο τσιπ, στα επίπεδα ισχύος που επέδειξε η ερευνητική ομάδα, παρέμενε άπιαστη.
“Για περισσότερα από είκοσι χρόνια, ένα λέιζερ femtosecond υψηλής ενέργειας παλμού σε τσιπ θεωρούνταν ευρέως ως το άγιο δισκοπότηρο της ολοκληρωμένης φωτονικής”, εξήγησε ο καθηγητής Κίπενμπεργκ.
Μια “παρεξηγημένη, παραδόξως κομψή τεχνολογία” θα μπορούσε να ξεκλειδώσει φουτουριστικές εφαρμογές
Για να βρει τον συνδετικό κρίκο ανάμεσα στο μέγεθος, την ταχύτητα και την ισχύ που θα επέτρεπε τη δημιουργία ενός πραγματικού υπερταχέος λέιζερ υψηλής ενέργειας σε τσιπ, η ομάδα του EPFL επέλεξε να απομακρυνθεί από τα παραδοσιακά σχέδια λέιζερ.
Αντίθετα, εκμεταλλεύτηκε μια σχεδιαστική προσέγγιση που η ίδια χαρακτήρισε ως “σε μεγάλο βαθμό παραγνωρισμένη”: Έναν ταλαντωτή Mamyshev (Mamyshev oscillator).
Σε αντίθεση με άλλα σχέδια, αυτός ο ταλαντωτής χρησιμοποιεί έναν μη γραμμικό κυματοδηγό τοποθετημένο ανάμεσα σε δύο οπτικά φίλτρα μέσα στην κοιλότητα του λέιζερ, καθένα από τα οποία επιτρέπει τη διέλευση ενός διαφορετικού χρώματος του φάσματος.
Όταν ένας ισχυρός παλμός φωτός ταξιδεύει μέσα από τον εγκατεστημένο κυματοδηγό, η δέσμη διευρύνεται σε ένα μεγαλύτερο εύρος χρωμάτων. Η ομάδα σημειώνει ότι αυτό το φαινόμενο επιτρέπει σε ένα μέρος του παλμού φωτός να περάσει και από τα δύο φίλτρα και να παραμείνει σε κυκλοφορία. Ωστόσο, επισημαίνουν επίσης ότι το “ασθενές φως” δεν διευρύνεται επαρκώς κατά την πρόσκρουση στον κυματοδηγό και “απορρίπτεται”.
Ο Ζέρου Τσιού (Zheru Qiu), ένας από τους κύριους συγγραφείς της επιστημονικής δημοσίευσης, δήλωσε ότι πέρα από την ταχύτητα και την ισχύ, το τσιπ τους διαθέτει εμπορική προοπτική λόγω της απλότητας των υλικών του.
“Αυτό το σχέδιο είναι ιδιαίτερα ελκυστικό επειδή δεν απαιτεί κανένα εξάρτημα που να είναι δύσκολο να κατασκευαστεί σε αυτό το τσιπ νιτριδίου του πυριτίου, το οποίο είναι εμπλουτισμένο με έρβιο”, εξήγησε ο Τσιού. Ένα άλλο πλεονέκτημα του σχεδιασμού της ομάδας είναι η ανθεκτικότητά του στις μη γραμμικές αλληλεπιδράσεις.
Απλά Roch, όταν οι κυματοδηγοί συμπιέζουν το φως σε μικροσκοπικούς χώρους, το φως αυτό αλληλεπιδρά έντονα με το ίδιο του τον εαυτό.
Οι μη γραμμικές αλληλεπιδράσεις που προκύπτουν μπορούν να υποβαθμίσουν την απόδοση των παραδοσιακών σχεδίων φωτονικών τσιπ. Ωστόσο, ο Τσιού δήλωσε ότι ένα λέιζερ με ταλαντωτή Mamyshev είναι “ιδανικό για τον στενό περιορισμό του φωτός στα φωτονικά τσιπ”.
“Το αποτέλεσμά μας δείχνει ότι αυτό όχι μόνο είναι εφικτό, αλλά μπορεί να επιτευχθεί με μια παραδόξως κομψή αρχιτεκτονική την οποία η κοινότητα της ολοκληρωμένης φωτονικής είχε παραβλέψει”, εξήγησε ο Τσιού σχετικά με την επαναστατική αρχιτεκτονική τους.
Τέλος στα ογκώδη εργαστηριακά συστήματα: Τα μικροτσίπ παίρνουν τη θέση των ακριβών λέιζερ
Όταν συζήτησαν για την πολυμορφικότητα του υπερταχέος λέιζερ σε τσιπ, οι ερευνητές σημείωσαν ότι η κοιλότητα λέιζερ του πρωτοτύπου, μήκους 42 εκατοστών, μπορεί να αναδιπλωθεί σε μέγεθος μικρότερο από το κεφάλι ενός σπίρτου.
Για σύγκριση, επεσήμαναν ότι τα 42 εκατοστά είναι “πολύ μικρότερο μέγεθος σε σχέση με τα λέιζερ που βασίζονται σε οπτικές ίνες”. Όσον αφορά τις πιθανές εμπορικές εφαρμογές, η ομάδα δήλωσε ότι τα τσιπ τους μπορούν να κατασκευαστούν σε μαζική κλίμακα, με περισσότερες από 1.000 μεμονωμένες κοιλότητες λέιζερ ανά τσιπ.
Αν και προς το παρόν βρίσκεται σε φάση επίδειξης, η ομάδα υποστήριξε ότι ένα πλήρως ανεπτυγμένο υπερταχύ λέιζερ σε τσιπ εμπορικής κλίμακας θα μπορούσε να προσφέρει στους μηχανικούς ένα κρίσιμο εργαλείο μικρομηχανικής που τους έλειπε.
“Με ισχύ αιχμής σε επίπεδο κιλοβάτ, το τσιπ μπορεί να υποστηρίξει απαιτητικές εφαρμογές που για μεγάλο χρονικό διάστημα εξαρτιόνταν από μεγάλα, ακριβά εργαστηριακά λέιζερ”, αναφέρει ο Τσιού.
Οι ερευνητές άφησαν να εννοηθεί ότι το τσιπ τους θα μπορούσε να επηρεάσει αρκετές τεχνολογίες, όπως η προηγμένη ανίχνευση και η ιατρική απεικόνιση, και ενδεχομένως να ανοίξει τον δρόμο για φουτουριστικές τεχνολογίες που βασίζονται σε ατομικά ρολόγια εξαιρετικής ακρίβειας.