Το Caltech φέρνει το μέλλον των laser πάνω σε chip

Μια ερευνητική ομάδα του Caltech πέτυχε μια τεχνολογική τομή που υπόσχεται να αλλάξει ριζικά τον τρόπο με τον οποίο χρησιμοποιούμε το φως. Δημιούργησε μια οπτική διάταξη ικανή να παράγει συνεκτικό laser φως σε ένα εύρος συχνοτήτων που εκτείνεται από το ορατό μέχρι το μέσο υπέρυθρο, το μεγαλύτερο που έχει επιτευχθεί ποτέ σε chip. Πρόκειται για ένα βήμα που φέρνει εργαστηριακά συστήματα υψηλής κατανάλωσης πιο κοντά σε πρακτικές και ευρείας κλίμακας εφαρμογές.

Το κλειδί της επιτυχίας είναι ένας οπτικός παραμετρικός ταλαντωτής (OPO), ένας ειδικός αντηχητής που μετατρέπει μια δέσμη laser σε νέες συχνότητες με τη βοήθεια ενός μη γραμμικού κρυστάλλου. Η τεχνολογία αυτή υπάρχει εδώ και δεκαετίες, αλλά μέχρι σήμερα οι OPO συσκευές ήταν ογκώδεις και περιορισμένες σε εύρος λειτουργίας.

Η καινοτομία της ομάδας του Marandi ήταν να σμικρύνει ολόκληρο το σύστημα πάνω σε chip, επανασχεδιάζοντας τη διασπορά και τον αντηχητή σε νανοφωτονικό επίπεδο. Έτσι, κατάφεραν να δημιουργήσουν μια πρωτοποριακή διάταξη που όχι μόνο μειώνει το μέγεθος και την κατανάλωση, αλλά και ανοίγει τον δρόμο για ενσωμάτωση σε πλήθος εφαρμογών.

Το αποτέλεσμα ήταν η παραγωγή μιας σειράς από ισαπέχουσες γραμμές φωτός που καλύπτουν μεγάλο φάσμα συχνοτήτων (frequency comb). Πρόκειται ουσιαστικά για έναν εξαιρετικά ακριβή «οπτικό χάρακα», χρήσιμο από τη μετρολογία και την τηλεπικοινωνία έως την ατομική φυσική. Δεν είναι τυχαίο ότι το frequency comb βραβεύτηκε με το Νόμπελ Φυσικής το 2005, ωστόσο μέχρι σήμερα η χρήση του περιοριζόταν σε ερευνητικά εργαστήρια λόγω της πολυπλοκότητας και του μεγέθους των συστημάτων.

Όπως παραδέχονται οι ερευνητές, η μεγαλύτερη ανατροπή ήρθε όταν διαπίστωσαν ότι το OPO τους μπορούσε να λειτουργεί με εξαιρετικά χαμηλά επίπεδα ενέργειας, της τάξης των femtojoules, χωρίς να χάνει τη συνοχή του σήματος. Θεωρητικά μοντέλα προέβλεπαν ότι σε τέτοιες συνθήκες η συνοχή θα κατέρρεε. Ωστόσο, μετά από μήνες προσομοιώσεων, κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η συσκευή λειτουργεί σε ένα καθεστώς που δεν είχε περιγραφεί ποτέ ξανά, όπου η συνοχή αναγεννάται ακόμη και πάνω από το όριο ενεργοποίησης.

Αυτό σημαίνει ότι το φάσμα μπορεί να παραχθεί και να επεκταθεί με ελάχιστη ενεργειακή απαίτηση – μια εξέλιξη που αλλάζει τους όρους του παιχνιδιού για τις μελλοντικές οπτικές τεχνολογίες.

Η μείωση της απαιτούμενης ενέργειας ανοίγει τον δρόμο για ολοκληρωμένες φωτονικές συσκευές που θα μπορούν να παρέχουν frequency comb απευθείας σε chip. Αυτό συνεπάγεται χαμηλότερο κόστος, μικρότερη κατανάλωση και απλούστερη χρήση, επιτρέποντας εφαρμογές που μέχρι τώρα θεωρούνταν απρόσιτες.

Οι πιθανές χρήσεις είναι πολλές:

• Στη μοριακή φασματοσκοπία, για την ανάλυση χημικών ενώσεων και την παρακολούθηση περιβαλλοντικών δεικτών.
• Στα ατομικά ρολόγια, προσφέροντας ακραία ακρίβεια στη μέτρηση του χρόνου.
• Στις τηλεπικοινωνίες, όπου η ενσωμάτωση υπερ-ακριβών συστημάτων θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στην ποιότητα και αξιοπιστία των δικτύων.

Η εξέλιξη του OPO πάνω σε chip αντιπροσωπεύει μια μετάβαση από τα ογκώδη και δαπανηρά συστήματα σε μια νέα εποχή όπου οι συσκευές υψηλής ακρίβειας μπορούν να ενσωματώνονται σε καθημερινές τεχνολογίες.

[via]