Niskoszumowy laser femtosekundowy wielkości monety o doskonałych osiągach
Lasery femtosekundowe są ważne dla wielu dziedzin i sektorów, począwszy od materiałoznawstwa i badania cząsteczek, przez telekomunikację optyczną, technologie kwantowe i spektroskopię optyczną. W każdej z nich mogą stanowić prawdziwy przełom. Wyzwanie polega na tym, że tego rodzaju lasery wykorzystują rezonatory optyczne do generowania ultrakrótkich impulsów o dużej mocy, w związku z czym są zarówno duże, jak i niezwykle kosztowne. Na szczęście widzimy już pierwsze zmiany w tym zakresie, co zawdzięczamy między innymi finansowanemu ze środków Unii Europejskiej projektowi FEMTOCHIP. Projekt ten miał na celu uzyskanie funkcjonalności lasera femtosekundowego w postaci znacznie mniejszego i tańszego rozwiązania. Mowa o mikroukładzie scalonym. „Dzięki połączeniu wiedzy ekspertów zajmujących się technologią ultraszybkich laserów, integracją mikroukładów, materiałoznawstwem i rozwiązaniami przemysłowymi, chcieliśmy rozwiązać wyzwania techniczne, które do tej pory uniemożliwiały zastosowanie laserów femtosekundowych w mikroukładach”, wyjaśnia Franz Kärtner, lider grupy pracującej przy niemieckim synchrotronie elektronowym DESY i koordynator projektu.
Mocniejszy laser oparty na kompaktowej krzemowej platformie fotonicznej
Rezultatem prac była platforma oparta na grubych falowodach krzemowych pozwalająca na uzyskanie fotonicznych układów scalonych, która może być wykorzystywana do tworzenia złożonych obwodów opartych na azotku krzemu. Zintegrowany laser o dużej mocy z blokadą modową oferuje moc szczytową przekraczającą 100 watów i czas trwania impulsu poniżej 100 femtosekund, dzięki czemu może znaleźć zastosowanie w rozwiązaniach wymagających generowania impulsów o niskich zakłóceniach w czasie. W ramach projektu badacze przedstawili także wzmacniacze optyczne o bardzo dużej mocy, zdolne do zwiększenia poziomu mocy wyjściowej do blisko 2 watów. „Zanim rozpoczęliśmy pracę, maksymalna osiągnięta moc wyjściowa zintegrowanego urządzenia opartego na wzmacniaczu półprzewodnikowym wynosiła zaledwie 2 miliwaty”, wyjaśnia Neetesh Singh, starszy badacz w DESY. „Jeśli porównamy nasze rozwiązanie z najlepszymi zintegrowanymi wzmacniaczami z ostatnich 30 lat, niezależnie od długości fali, udało nam się osiągnąć dziesięciokrotnie lepszy wynik”. Inne kluczowe rezultaty prac obejmują pierwszy zintegrowany laser typu Q-Switch o bardzo wysokiej energii, szerokopasmowy apodyzowany reflektor kratowy oraz wzmacniacz impulsowy o mocy szczytowej wynoszącej 800 watów. W ramach projektu badacze opracowali także rozwiązanie umożliwiające przeplatanie impulsów, które zwiększa częstotliwość powtarzania z 217 megaherców do 14 gigaherców. Wszystkie te urządzenia udało się umieścić na kompaktowej, krzemowej platformie fotonicznej. „Nasze rezultaty są nie tylko porównywalne z wieloma systemami światłowodowymi. Wyraźnie przewyższają osiągami nawet najlepsze samodzielne półprzewodnikowe wzmacniacze optyczne i oferują nieskazitelną jakość wiązki”, dodaje Singh.
Rozwiązywanie rzeczywistych wyzwań przy użyciu fotoniki krzemowej
Projekt FEMTOCHIP położył podwaliny pod opracowanie niskoszumowej technologii laserów femtosekundowych wielkości monety, charakteryzujących się niskim poziomem szumów. Nowe lasery będą dostępne dla jednostek naukowych i przemysłu za ułamek dotychczasowych kosztów. Mogą też stanowić potężną platformę, na której może opierać się wiele rozwiązań. Rozwiązanie opracowane w ramach projektu FEMTOCHIP może stanowić laser wykorzystywany do budowy złożonych femtosekundowych źródeł laserowych o dużej mocy. Dzięki wyjątkowo niskiemu poziomowi zakłóceń może także posłużyć jako zegar i sampler dla fotonicznych przetworników analogowo-cyfrowych, umożliwiając rozwój systemów pomiaru czasu i pozycjonowania. „Osiągnięcie wyjątkowo wysokiego poziomu mocy wyjściowej pozwala na rozwój fotoniki krzemowej dużej mocy i dalszą miniaturyzację, dzięki czemu rozwiązania te zostaną wykorzystane w rzeczywistych scenariuszach”, podsumowuje Kärtner.
Słowa kluczowe
FEMTOCHIP, laser femtosekundowy, mikroukład scalony, laser, materiałoznawstwo, fotonika krzemowa, obwody
