Et team af forskere ledet af Jelena Vučković, en professor i elektroteknik ved Stanford University, har været banebrydende for integrationen af en titanium ædelsten (Ti: safir) laser på en chip (som kan pumpes med en grøn laserpointer). Sammenlignet med enhver anden titanium ædelstenslaser, der i øjeblikket er tilgængelig, er denne prototype fire størrelsesordener mindre (dvs. en ti tusindedel af originalen) og tre størrelsesordener lavere i pris (dvs. en tusindedel af originalen).
Titanium ædelstenslasere er på grund af deres høje forstærkningsbåndbredde og ultrahurtige pulsoutput uundværlige inden for områder som banebrydende kvanteoptik, spektroskopi og neurovidenskab. Men deres store størrelse og høje pris (hundredetusindvis af dollars hver), samt behovet for kraftige enheder (som hver sælges for omkring $30,000) til at pumpe dem, har dog begrænset deres udbredte brug.
"På Stanford's Laboratory for Nano and Quantum Photonics har vi udført adskillige kvanteeksperimenter baseret på solid-state spin quantum bits i materialer som diamant og siliciumcarbid. Dette eksperiment er stærkt afhængig af kommercielle titanium ædelstenslasere." Joshua Yang, en ph.d.-studerende i Vučkovićs team, forklarer.
Ud over at være dyre, er titanium ædelstenslasere komplekse og kræver ofte regelmæssig vedligeholdelse for at holde dem kørende. Prof. Vučkovićs forskerhold udfører en lang række eksperimenter, hvor titanium ædelstenslaserne ikke har maskintid nok, og derfor er nødt til at dele udstyret og styre forsøgsplanen. Derudover, fordi den nødvendige effekt til eksperimenterne er meget lavere end udgangseffekten af kommercielle titanium ædelstenslasere, kan laseroutputtet kun dæmpes med nogle få størrelsesordener, hvilket resulterer i, at en stor del af laserkraften går til spilde.
Yang sagde, "Chip-skala titanium safir lasere, på grund af deres lave omkostninger, kompakthed og stabilitet, kan erstatte de kommercielle titanium ædelsten lasersystemer, der i øjeblikket anvendes til vores præcisionseksperimenter."
Figur 1: Titanium ædelstenlaseren i chipskala udviklet af Prof. Jelena Vučkovićs forskerhold. Laseren hviler diagonalt mod en titanium ædelsten, begge hviler på en fjerdedel.
Smart laserdesign
Den chip-skala laser udviklet af teamet består af to hoveddele: en bølgeleder og en ringresonator.
Et lag af titanium ædelsten er placeret på et siliciumdioxid (SiO2) substrat, som derefter placeres på en safir krystal. Ædelstenslaget af titanium er slebet, ætset og poleret til en tykkelse på blot et par hundrede nanometer. Den blev derefter mønstret med en bølgeleder, der fungerer som en hvirvel af små kamme, der leder lyset, når det rejser gennem det.
En miniaturevarmer bruges til at opvarme bølgelederen, som ændrer brydningsindekset for bølgelederen og den hastighed, hvormed lyset bevæger sig gennem bølgelederen, så udgangsbølgelængden kan justeres over en række bølgelængder, fra rød til infrarød (justerbar i øjeblikket til 60 nm).
"Den spiralformede bølgeleder svarer til en forstærker til laseren, og effekten stiger, når laseren passerer igennem." Yang forklarer, "Ringresonatoren fungerer både som et filter til at modulere laserens bølgelængde via mikrovarmere og som et resonanshulrum for laseren - og fungerer som en recirkulationsvej for lasertransmissionen."
Figur 2: Optisk billede af en bølgelederforstærker af titanium ædelsten, der måler 0,5 mm x 0,5 mm.
Udfordringer for chip-skala titanium ædelsten lasere
Den største vanskelighed med titanium ædelsten lasere er, at de kræver høj intensitet pumpning for at fungere. Ved at realisere titanium ædelstens laserteknologi gennem en højpræcisionsbølgeleder opnåede forskerholdet to vigtige gennembrud:
For det første, da pumpeintensitet er effekt divideret med areal, reducerer brug af optiske bølgeledere af titanium ædelsten pumpeområdet betydeligt. "Det betyder, at der kun kræves mindre strøm (ca. 1000 gange mindre) for at opnå en pumpeintensitet svarende til den for kommercielle titanium ædelstenssystemer." Yang forklarer, "Så selv en billig halvlederlaser med grønt lys er kraftig nok til at pumpe denne laser i chipskala."
For det andet er titanium ædelstenlaseren integreret på chippen. "Chip-skala safir laser (uden flere bevægelige dele) har miniaturisering, skalerbarhed og holdbarhed uovertruffen af kommercielle lasere til storskala wafer-niveau halvleder produktion." Yang tilføjede.
For Yang er højdepunktet i dette arbejde brugen af denne chip-skala titanium ædelsten laser til kvante eksperimenter. Han sagde, "Det var en stor overraskelse at se denne lille enhed erstatte et omfangsrigt kommercielt lasersystem i et komplekst hulrums kvanteelektrodynamik (QED) eksperiment. Fordi de chip-skala lasere, vi har udviklet, er virkelig enestående."
En af de udfordringer, som Vučkovićs forskerhold skulle overvinde for at gøre titanium ædelstenslaseren i chipskala virkelig brugbar til kvanteeksperimenter, var at optimere koblingen af pumpekilden. "Til eksperimenter pumpes laseren gennem en lysvej med frit rum," siger Yang, "men med fotonisk emballeringsteknologi er det muligt at integrere en halvlederlaser med grønt lys, der tjener som pumpekilde for titanium ædelstenen i chipskala laser. Ved at optimere koblingen af emballagesystemet og pumpekilden kan der opnås højere effekt af laseren, og laseren er både bærbar og holdbar."
Potentielle applikationer
Chip-skala titanium ædelsten lasere har en bred vifte af applikationer, fra kvanteteknologier såsom kvanteberegning og atomure til medicinske applikationer såsom optisk kohærens tomografi og to-foton mikroskopi.
"Forhåbentlig vil denne teknologi modnes og blive brugt på disse områder i de næste par år," sagde Yang. Efter sin eksamen denne sommer vil han arbejde for Brightlight Photonics, en virksomhed, der vil arbejde for at lette kommercialiseringen af chip-skala titanium ædelsten lasere.
I øjeblikket arbejder Jelena Vučković og hendes forskerhold på en tunable mode-låst titanium-laser i chipskala.
Pulserende lasere "vil åbne op for nye muligheder for laserapplikationer inden for kvanteteknologi, klassisk informationsbehandling og biomedicin," sagde prof. Vučković.
