Фемтосекундные импульсные лазеры, излучающие свет в виде сверхбыстрых вспышек, длящихся одну миллионную от миллиардной доли секунды, являются мощными инструментами, используемыми в различных областях, от медицины и производства до датчиков и точных измерений пространства и времени. Сегодня эти лазеры, как правило, представляют собой дорогие настольные системы, что ограничивает их использование в приложениях с ограничениями по размеру и энергопотреблению.
Встроенный в кристалл источник фемтосекундных импульсов откроет новые возможности для квантовых и оптических вычислений, астрономии, оптических коммуникаций и других областей. Однако интегрировать перестраиваемые и высокоэффективные импульсные лазеры в микросхемы оказалось сложной задачей.
Теперь исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) разработали высокопроизводительный встроенный в кристалл источник фемтосекундных импульсов, используя инструмент, который кажется прямо из научной фантастики: линзу времени.
Исследование опубликовано в Nature.
«Импульсные лазеры, которые производят высокоинтенсивные короткие импульсы, состоящие из многих цветов света, остаются большими», — сказал Марко Лончар, профессор электротехники Тяньцай Линь в SEAS и старший автор исследования.
«Чтобы сделать эти источники более практичными, мы решили сократить хорошо известный подход, используемый для реализации обычных — и больших — фемтосекундных источников, используя современную интегрированную платформу фотоники, которую мы разработали. Важно отметить, что наши чипы сделаны с использованием технологии микропроизводства, подобные тем, которые используются для изготовления компьютерных микросхем, что обеспечивает не только снижение стоимости и размера, но также повышение производительности и надежности наших фемтосекундных источников».
Традиционные линзы, такие как контактные линзы или те, что используются в увеличительных стеклах и микроскопах, преломляют лучи света, идущие с разных направлений, изменяя их фазу так, чтобы они попадали в одно и то же место в пространстве — в фокусную точку.
Линзы времени, с другой стороны, «изгибают» световые лучи аналогичным образом, но они изменяют фазу световых лучей во времени, а не в пространстве. Таким образом, разные цвета света, движущиеся с разной скоростью, синхронизируются таким образом, что каждый из них попадает в фокальную плоскость в одно и то же время.
Представьте себе автомобильную гонку, в которой каждый цвет света соответствует отдельной машине. Во-первых, временная линза смещает время выезда каждой машины, а затем устанавливает их скорость так, чтобы они прибывали к финишу в одно и то же время.
Для генерации фемтосекундных импульсов устройство команды использует ряд оптических волноводов, ответвителей, модуляторов и оптических решеток на платформе ниобата лития, впервые разработанной в лаборатории Лончара.
Команда начинает с пропускания непрерывного одноцветного лазерного луча через амплитудный модулятор, который контролирует количество света, проходящего через временную линзу, — функция аналогична апертуре в обычной линзе. Затем свет распространяется через «изогнутую» часть линзы, в данном случае фазовый модулятор, где генерируется частотная гребенка разных цветов. Возвращаясь к аналогии с автомобилем, фазовый модулятор создает, а затем выпускает автомобили разных цветов в разное время запуска.
Затем в дело вступает последний компонент лазера — решетка типа «рыбья кость» вдоль волновода. Решетка изменяет скорость различных цветов света, чтобы привести их все в соответствие друг с другом, шею и шею в гонке, чтобы они достигли финишной черты (или фокальной плоскости) в одно и то же время.
Поскольку устройство контролирует, как быстро распространяются различные длины волн и когда они попадают в фокальную плоскость, оно эффективно преобразует непрерывный одноцветный лазерный луч в широкополосный источник импульсов высокой интенсивности, который может производить сверхбыстрые импульсы длительностью 520 фемтосекунд.
Устройство обладает широкими возможностями настройки, интегрировано в микросхему размером 2 см на 4 мм и, благодаря электрооптическим свойствам ниобата лития, потребляет значительно меньше энергии, чем настольные продукты.
«Мы показали, что интегрированная фотоника предлагает одновременные улучшения в энергопотреблении и размерах», — сказал Мэнджи Ю, бывший научный сотрудник SEAS и первый автор исследования.
«Здесь нет компромисса: вы экономите энергию и в то же время экономите место. Вы просто получаете лучшую производительность, поскольку устройство становится меньше и более интегрированным. Только представьте — в будущем мы сможем носить фемтосекундные импульсные лазеры в карманах, чтобы почувствовать, как свежие фрукты или отслеживать наше самочувствие в режиме реального времени, или в наших автомобилях, чтобы сделать измерение расстояния».
Затем команда стремится изучить некоторые приложения как самого лазера, так и технологии временных линз, в том числе в системах линз, таких как телескопы, а также в сверхбыстрой обработке сигналов и квантовых сетях.