Onderzoekers hebben een nieuwe methode ontwikkeld voor het vervaardigen van compacte mode-locked lasers op fotonische chips, waarbij lithiumniobaat wordt gebruikt voor actieve mode-locking. Deze technologie belooft grootschalige ultrasnelle laserexperimenten op chipschaal te brengen, met plannen om de pulsduur verder te verkorten en de piekvermogens te vergroten.
Lasers zijn in het dagelijks leven relatief gebruikelijk geworden, maar ze kunnen nog veel meer worden gebruikt dan het geven van lichtshows op ravefeesten en het scannen van streepjescodes op boodschappen. Lasers zijn ook belangrijk op het gebied van telecommunicatie, computers en biologisch, chemisch en fysisch onderzoek.
In de laatstgenoemde toepassing zijn lasers die ultrakorte pulsen van een biljoenste van een seconde (1 picoseconde) of minder kunnen uitzenden bijzonder nuttig. Met behulp van lasers die op zulke kleine tijdschalen werken, kunnen onderzoekers fysische en chemische verschijnselen bestuderen die extreem snel optreden, bijvoorbeeld het maken of verbreken van moleculaire bindingen tijdens chemische reacties, of de beweging van elektronen in materialen. Deze ultrakorte pulsen worden ook veel gebruikt in beeldvormingstoepassingen omdat ze een extreem hoge piekintensiteit maar een laag gemiddeld vermogen hebben, waardoor verwarming of zelfs verbranding van monsters zoals biologisch weefsel wordt vermeden.
In een artikel gepubliceerd in Science beschrijft Alireza Marandi, universitair docent elektrotechniek en toegepaste natuurkunde bij Caltech, een nieuwe methode die door zijn laboratorium is ontwikkeld om dergelijke lasers, mode-locked lasers genaamd, op fotonische chips te maken. De lasers zijn gebouwd met componenten op nanoschaal (een nanometer is een miljardste van een meter) en kunnen worden geïntegreerd in op licht gebaseerde circuits, vergelijkbaar met de op elektriciteit gebaseerde geïntegreerde schakelingen die in moderne elektronica worden aangetroffen.
"We zijn geïnteresseerd in meer dan alleen het compacter maken van mode-locked lasers", zegt Marandi. "We zijn verheugd om een goed presterende mode-locked laser op een nanofotonische chip te maken en deze te combineren met andere componenten. Op dat moment zullen we in staat zijn een compleet ultrasnel fotonisch systeem in een geïntegreerd circuit te bouwen. Dit zal de rijkdom aan ultrasnelle wetenschap en technologie die momenteel bij experimenten op meterschaal hoort, naar chips op millimeterschaal brengen."
Ultrasnelle lasers en erkenning van de Nobelprijs
Dergelijke ultrasnelle lasers zijn zo belangrijk voor onderzoek dat de Nobelprijs voor de Natuurkunde dit jaar werd toegekend aan drie wetenschappers voor het ontwikkelen van lasers die attosecondepulsen kunnen genereren (een attoseconde is een vijfde van een seconde). Dergelijke lasers zijn momenteel echter extreem duur en omvangrijk, en Marandi merkte op dat zijn onderzoek manieren onderzoekt om dergelijke tijdschalen op chips te bereiken die veel goedkoper en kleiner kunnen zijn, met als doel betaalbare, inzetbare ultrasnelle fotonische technologieën te ontwikkelen.
"Deze attoseconde-experimenten worden bijna altijd gedaan met ultrasnelle mode-locked lasers", zei hij. "Sommige van deze experimenten kunnen tot $ 10 miljoen kosten, en een groot deel daarvan zijn de kosten van de mode-locked laser. We zijn enthousiast om na te denken over hoe we deze experimenten en mogelijkheden in nanofotonica kunnen repliceren."
De kern van de nanofotonische mode-locked laser die in het laboratorium van Marandi is ontwikkeld, is lithiumniobaat, een synthetisch zout met unieke optische en elektrische eigenschappen waarmee de laserpuls kan worden gecontroleerd en gevormd door de toepassing van externe radiofrequente elektrische signalen. Deze benadering wordt intracavity fasemodulatie actieve modusvergrendeling genoemd.
"Ongeveer 50 jaar geleden gebruikten onderzoekers intracavitaire fasemodulatie om mode-locked lasers te creëren in desktopexperimenten en geloofden dat deze methode niet erg geschikt was vergeleken met andere technologieën", zegt Guo Qiushi, de eerste auteur van het artikel en een voormalig postdoc in het laboratorium van Marandi. "Maar we vonden dat het perfect bij ons integratieplatform paste."
"Onze laser is niet alleen klein, maar vertoont ook een reeks fascinerende eigenschappen. We kunnen bijvoorbeeld de herhalingssnelheid van de uitgangspulsen over een breed bereik nauwkeurig afstemmen. We kunnen dit benutten om stabiele frequentiekambronnen op chipschaal te ontwikkelen, die van cruciaal belang zijn voor frequentiemetrologie en precisiedetectie", voegde Guo toe, nu assistent-professor aan het Advanced Science Research Center van de City University of New York.
Toekomstige doelen en onderzoeksimplicaties
Marandi zei dat het zijn doel is om de technologie te blijven verbeteren, zodat deze op kortere tijdschalen en met hogere piekvermogens kan werken, met als doel 50 femtoseconden te bereiken (een femtoseconde is een biljoenste van een seconde), wat een honderdvoudige verbetering zou zijn ten opzichte van zijn huidige apparaat, dat pulsen produceert met een lengte van 4,8 picoseconden.
Het artikel waarin het onderzoek werd geïntroduceerd, getiteld "Ultrafast Mode-Locked Lasers in Nanophotonic Lithium Niobate", werd gepubliceerd in het nummer van Science van 9 november.