Ученые создали наноразмерные «лежачие полицейские» для лазеров на чипах

Исследователи из Сиднейского университета решили давнюю проблему микрочиповых лазеров, создав наноразмерные «лежачие полицейские» в оптическом резонаторе для получения исключительно «чистого» света. Такой свет с ультраузким спектром может использоваться в квантовых компьютерах, системах навигации, сверхбыстрых сетях связи и прецизионных датчиках.

Экспериментальная установка для ввода и вывода света в фотонном чипе, разработанном в Сиднейском университете. Автор: Райан Рассел/Сиднейский университет

В новом исследовании, опубликованном в APL Photonics, команда показала, как устранить критический источник шума в бриллюэновских лазерах — особом классе источников света, известных своей исключительной чистотой.

Бриллюэновские лазеры генерируют настолько чистый свет, что могут использоваться в оптических атомных часах, которые теряют секунды лишь за тысячи лет. Однако до сих пор их потенциал ограничивался явлением бриллюэновского каскадирования, при котором возникают «паразитные моды» света, ухудшающие производительность.

«Представьте себе крошечные лежачие полицейские на гоночной трассе света, которые предотвращают образование шумных побочных продуктов», — пояснил соавтор исследования доктор Мориц Меркляйн.

Используя метод «фотонного запрещенного зонного инжиниринга», исследователи выжгли наноструктуры — более чем в 100 раз меньше человеческого волоса — непосредственно внутри оптического резонатора лазера. Эти структуры, называемые «решетками Брэгга», создают точную «мертвую зону», блокирующую образование паразитных мод в их источнике, не препятствуя при этом основной моде.

Результаты впечатляют: при использовании решетки Брэгга команда наблюдала шестикратное увеличение минимального порога бриллюэновской генерации и 2,5-кратное увеличение мощности основного лазера.

Важно, что решетки Брэгга являются перестраиваемыми: их можно записывать, стирать и перенастраивать после создания с использованием только лазерного света, без необходимости переизготовления устройства.

«Эта способность инженерно управлять плотностью состояний внутри резонатора открывает двери для совершенно новых классов источников света и других передовых фотонных технологий», — заявил профессор Бен Эгглтон, руководитель исследовательской группы.

Исследование демонстрирует лидерство Австралии в области интегральной фотоники и открывает новый путь к созданию ультрастабильных, мощных и малошумящих лазеров на чипах для следующего поколения квантовых и коммуникационных технологий.