Исследователи из Российского квантового центра (РКЦ), Политехнической школы Лозанны (EPFL), МГУ и МФТИ разработали технологический процесс производства компактных лазерных химических анализаторов на базе оптических частотных гребёнок. Они совместимы со стандартными технологическими процессами, которые используются для производства "обычной" электроники. Об этом сообщает пресс-служба МФТИ.
Поясним, что оптические частотные гребёнки, за создание которых в 2005 году была присуждена Нобелевская премия по физике, используются как основа для устройств, способных генерировать последовательность фемтосекундных импульсов света.
Их излучение имеет спектр в виде "гребёнки", то есть множества узких спектральных линий, разделённых равными частотными промежутками.
Такие лазерные "линейки" можно использовать для телекоммуникации, в спутниковой навигации, в астрофизике. В частности, с их помощью можно проводить очень точные и быстрые спектроскопические измерения и, следовательно, определять химический состав веществ.
Но широкое применение устройств на основе оптических гребёнок ограничено из-за их сложности, большого размера и высокой стоимости.
Проще всего генерировать такие гребёнки с помощью микрорезонаторов, то есть "колец" или дисков из оптических материалов, где излучение лазера накачки из-за нелинейности материала превращается в частотную гребёнку.
Ранее группа под руководством ныне покойного профессора МГУ Михаила Городецкого, основавшего лабораторию когерентной микрооптики и радиофотоники в РКЦ, разработала метод генерации частотных гребёнок в микрорезонаторах с помощью дешёвых и компактных лазерных диодов вместо дорогих монохроматических лазерных систем.
Эта работа, опубликованная в Nature Photonics в 2018 году, открыла дорогу к созданию дешёвых и компактных лазерных спектрометров.
Теперь эта же группа продемонстрировала новый способ генерации гребёнок с использованием исключительно интегральных элементов. Это означает, что для создания оптической схемы необязательно использовать отдельные оптические элементы, такие как линзы, призмы и зеркала (как это делалось в оптике обычно и что крайне неудобно, когда нужно организовать массовое производство миниатюрных оптических устройств).
Современные литографические технологии позволяют создавать специальные волноводы для лучей света. Излучение лазеров может генерироваться в таких волноводах, делиться на разные каналы, проходить через специальные фильтры и так далее.
Фактически маленький диод в лазерной указке и есть кусочек такого волновода. Важно, что такие волноводы могут быть изготовлены с помощью стандартной КМОП-технологии (комплементарный металл–оксид–полупроводник), используемой в промышленных масштабах для производства электронных микросхем.
В созданном авторами статьи устройстве впервые в мире для накачки оптического микрорезонатора из нитрида кремния использовался недорогой лазерный диод.
Микрорезонатор с диаметром намного меньше миллиметра имеет крайне низкий уровень потерь за счёт особого метода послойного напыления — Damascene process, сходного с методом производства дамасской стали.
"Часть излучения, циркулировавшая внутри микрорезонатора, попадала обратно в лазерный диод, что обеспечивало быструю оптическую обратную связь. Благодаря этому процессу, который в радиофизике называют "затягиванием", система работала как мощный стабилизированный лазер, а в микрорезонаторе генерировалась оптическая гребёнка с высокой степенью когерентности и частотой 88 гигагерц", — объясняет соавтор исследования Софья Агафонова из МФТИ.
"Простую и дешёвую оптическую гребёнку, которая встраивается в оптические интегральные схемы, можно использовать во многих фотонных системах нового поколения, например, в лидарах, для спектроскопии и высокоскоростной передачи данных", — замечает профессор МГУ Игорь Биленко, руководитель лаборатории РКЦ, в которой велась работа.
По словам одного из ведущих авторов исследования Андрея Волошина из МФТИ, вся система может уместиться в объёме менее одного кубического сантиметра.
"И, что самое важное, [устройство] требует источник тока мощностью лишь 1 ватт — то есть обычную батарейку, – добавляет он. – Совместимость со стандартными технологиями производства электроники, простота оптической схемы и низкая стоимость делают эту систему крайне привлекательной для массового производства".
В дальнейшем учёные планируют разработать компактный спектрометр, многочастотный источник узкополосного лазерного излучения. Для этого необходимо развить технологию производства фотонных интегральных устройств.
Исследования были выполнены при финансовой поддержке Российского научного фонда.
-
-
- +1
-
Зачем поддерживать автора?
Зачем поддерживать автора?
- - Любой текст это труд, если вам понравилась статья, то поддерживая автора - вы показываете, что оценили то, что он потратил свое время и силы.
- - Автор получает небольшую финансовую помощь от вас, у него появляется больше стимула сделать еще лучше.
- - Статья, которую поддерживают пользователи попадет в рейтинг по поддержке на главной странице Конта, что принесет ей больше просмотров и откликов, а значит, поддерживая статью вы помогаете автору продвигать его точку зрения.
Оценили 16 человек
17 кармы