Het team van het Photonic Systems Laboratory (PHOSL) van EPFL heeft een laserbron op chipschaal ontwikkeld die de prestaties van halfgeleiderlasers verbetert en tegelijkertijd kortere golflengten mogelijk maakt.

Dit baanbrekende werk, geleid door professor Camille Brès en postdoctoraal onderzoeker Marco Clementi van EPFL's School of Engineering, vertegenwoordigt een aanzienlijke vooruitgang op het gebied van fotonica, met gevolgen voor telecommunicatie, metrologie en andere toepassingen met hoge precisie.

De studie, gepubliceerd in het tijdschrift Light:Science &Applications onthult hoe de PHOSL-onderzoekers, in samenwerking met het Laboratorium voor Fotonica en Kwantummetingen, met succes halfgeleiderlasers hebben geïntegreerd met fotonische circuits van siliciumnitride die microresonatoren bevatten. Deze integratie resulteert in een hybride apparaat dat zeer uniform en nauwkeurig licht uitzendt in zowel nabij-infrarood als zichtbaar bereik, en vult daarmee een technologische leemte op die de industrie al lange tijd voor uitdagingen stelt.

"Halfgeleiderlasers zijn alomtegenwoordig in de moderne technologie en worden in alles aangetroffen, van smartphones tot glasvezelcommunicatie. Hun potentieel wordt echter beperkt door een gebrek aan samenhang en het onvermogen om zichtbaar licht efficiënt te genereren", legt professor Brès uit. "Ons werk verbetert niet alleen de coherentie van deze lasers, maar verschuift ook hun output naar het zichtbare spectrum, waardoor nieuwe wegen worden geopend voor hun gebruik."

Coherentie verwijst in deze context naar de uniformiteit van de fasen van de door de laser uitgezonden lichtgolven. Hoge coherentie betekent dat de lichtgolven gesynchroniseerd zijn, wat leidt tot een straal met een zeer precieze kleur of frequentie. Deze eigenschap is cruciaal voor toepassingen waarbij precisie en stabiliteit van de laserstraal voorop staan, zoals tijdwaarneming en precisiedetectie.

Verhoogde nauwkeurigheid en verbeterde functionaliteit

De aanpak van het team omvat het koppelen van in de handel verkrijgbare halfgeleiderlasers met een siliciumnitridechip. Deze kleine chip is gemaakt met industriestandaard, kostenefficiënte CMOS-technologie. Dankzij de uitzonderlijke verliesarme eigenschappen van het materiaal wordt er weinig tot geen licht geabsorbeerd of ontsnapt.

Het licht van de halfgeleiderlaser stroomt door microscopisch kleine golfgeleiders in extreem kleine holtes, waar de straal wordt opgesloten. Deze holtes, micro-ringresonatoren genoemd, zijn op een ingewikkelde manier ontworpen om te resoneren op specifieke frequenties, waardoor selectief de gewenste golflengten worden versterkt en andere worden verzwakt, waardoor een verbeterde coherentie in het uitgezonden licht wordt bereikt.

De andere belangrijke prestatie is het vermogen van het hybride systeem om de frequentie van het licht afkomstig van de commerciële halfgeleiderlaser te verdubbelen, waardoor een verschuiving van het nabij-infrarode spectrum naar het zichtbare lichtspectrum mogelijk wordt.

De relatie tussen frequentie en golflengte is omgekeerd evenredig, wat betekent dat als de frequentie wordt verdubbeld, de golflengte met de helft wordt verminderd. Hoewel het nabij-infrarode spectrum wordt benut voor telecommunicatie, zijn hogere frequenties essentieel voor het bouwen van kleinere, efficiëntere apparaten waar kortere golflengten nodig zijn, zoals in atoomklokken en medische apparaten.

Deze kortere golflengten worden bereikt wanneer het opgesloten licht in de holte een proces ondergaat dat volledig optische polen wordt genoemd en dat zogenaamde niet-lineariteit van de tweede orde in het siliciumnitride induceert. Niet-lineariteit betekent in deze context dat er een significante verschuiving, een sprong in grootte, in het gedrag van het licht plaatsvindt, die niet direct evenredig is met de frequentie ervan, als gevolg van de interactie met het materiaal.

Siliciumnitride veroorzaakt dit specifieke niet-lineaire effect van de tweede orde normaal gesproken niet, en het team heeft een elegante technische prestatie geleverd om dit teweeg te brengen:het systeem maakt gebruik van de capaciteit van het licht wanneer het in de holte resoneert om een ​​elektromagnetische golf te produceren die de niet-lineaire eigenschappen in de holte veroorzaakt. het materiaal.

Een technologie die toekomstige toepassingen mogelijk maakt

"We verbeteren niet alleen de bestaande technologie, maar verleggen ook de grenzen van wat mogelijk is met halfgeleiderlasers", zegt Marco Clementi, die een sleutelrol speelde in het project. "Door de kloof tussen telecom en zichtbare golflengten te overbruggen, openen we de deur naar nieuwe toepassingen op gebieden als biomedische beeldvorming en nauwkeurige tijdwaarneming."

Een van de meest veelbelovende toepassingen van deze technologie ligt in de metrologie, met name in de ontwikkeling van compacte atoomklokken. De geschiedenis van de vooruitgang op navigatiegebied hangt af van de draagbaarheid van nauwkeurige uurwerken:van het bepalen van de lengtegraad op zee in de 16e eeuw tot het garanderen van nauwkeurige navigatie van ruimtemissies en het bereiken van betere geolokalisatie vandaag de dag.

"Deze aanzienlijke vooruitgang legt de basis voor toekomstige technologieën, waarvan sommige nog moeten worden bedacht", merkt Clementi op.

Het diepgaande inzicht van het team in fotonica en materiaalkunde zal mogelijk leiden tot kleinere en lichtere apparaten en het energieverbruik en de productiekosten van lasers verlagen. Hun vermogen om een ​​fundamenteel wetenschappelijk concept te vertalen naar een praktische toepassing met behulp van industriestandaard fabricage onderstreept het potentieel van het oplossen van complexe technologische uitdagingen die tot onvoorziene vooruitgang kunnen leiden.

Meer informatie: Marco Clementi et al, Een tweede harmonische bron op chipschaal via zelfinjectie-vergrendelde, volledig optische polen, Light:Science &Applications (2023). DOI:10.1038/s41377-023-01329-6

Journaalinformatie: Licht:wetenschap en toepassingen

Aangeboden door Ecole Polytechnique Federale de Lausanne