Швейцарские физики из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) совместно с немецкими коллегами из Центра имени Гельмгольца Дрезден–Россендорф создали первый интегрированный сверхбыстрый лазер на фотонном чипе, характеристики которого сопоставимы с крупногабаритными лабораторными установками. Результаты исследования, опубликованные в журнале «Nature», открывают путь к массовому производству компактных и дешевых оптических приборов для медицины, телекоммуникаций и навигации.
Сверхбыстрые лазеры, генерирующие импульсы длительностью в несколько сотен фемтосекунд (квадриллионных долей секунды), активно применяются в высокоточном производстве, хирургии глаза и в качестве оптических гребенок – основы наиболее точных атомных часов. Однако до сих пор такие лазерные системы оставались громоздкими и дорогостоящими, занимая целые оптические столы в лабораториях.
Решить проблему миниатюризации ученым удалось с помощью интегральной фотоники. Созданный ими прибор генерирует импульсы энергией 1,05 наноджоуля и длительностью всего 147 фемтосекунд. Вся конструкция размещается на фотонном чипе на основе нитрида кремния, легированного эрбием. Несмотря на то что длина лазерного резонатора составляет 42 сантиметра, благодаря сложной геометрии волноводов его удалось свернуть и разместить на площади размером со спичечную головку.
В основе разработки лежит архитектура генератора Мамышева, которая ранее редко рассматривалась в интегральной фотонике. В этой схеме нелинейный волновод расположен между двумя оптическими фильтрами, пропускающими свет в разных диапазонах частот. При прохождении мощного импульса через волновод его спектр расширяется, что позволяет свету преодолевать оба фильтра и циркулировать внутри резонатора. Более слабый фоновый свет не претерпевает нелинейного уширения и блокируется фильтрами.
Такой подход позволил обойти ключевое препятствие на пути создания твердотельных лазерных чипов – дестабилизацию импульсов из-за высокой плотности оптического излучения в сверхмалых волноводах. Генератор Мамышева оказался устойчив к подобным нелинейным эффектам, что позволило достичь пиковой мощности киловаттного уровня в миниатюрном исполнении.
Поскольку производство фотонных чипов может осуществляться на стандартных полупроводниковых фабриках на уровне кремниевых пластин, технология позволяет одновременно изготавливать более тысячи лазерных систем на одной подложке. Это существенно снизит себестоимость приборов и расширит область их применения. В перспективе разработка позволит создавать портативные детекторы загрязняющих веществ, устройства для неразрушающего контроля материалов, мобильные медицинские сканеры и компактные оптические атомные часы для навигационных систем.
