Vědci na Nanyang Technological University (NTU) v Singapuru dosáhli velkého průlomu ve fotonice vyvinutím energeticky efektivního ultrakompaktního laseru, který slibuje transformaci bezdrátové komunikace a integrované fotonické systémy nové generace. Tento laser menší než zrno písku řeší přetrvávající výzvu v miniaturním designu laseru: ztráta světla.
Když se lasery zmenšují, energie má tendenci uniknout z dutiny a nedokonalostí ve fotonických krystalových strukturách prohlubuje rozptyl, snižuje účinnost a omezuje praktické aplikace. Tato inovace nabízí řešení minimalizací těchto ztrát a zároveň zachovává dostatečné emise světla pro použití v reálných technologiích, což potenciálně umožňuje širokou škálu aplikací, které byly dříve nepraktické.
Výzkumný tým NTU, vedený profesorem Wang Qijie a Dr. Cui Jieyuanem, se obrátil na tuto výzvu tím, že reimaginoval design laserové dutiny. Jejich řešení kombinuje dva pokročilé koncepty ve fotonice: ploché pásy a více vázané stavy v kontinuu (BIC).
Ploché pruhy jsou energetické pásy, ve kterých lehké vlny zažívají rychlost skupiny téměř nulové, což omezuje energii v horizontální rovině dutiny. Tento přístup zajišťuje, že se světlo nekontrolovatelně nerozšíří napříč strukturou a pomáhá udržovat intenzitu a zaměření.
Na druhé straně multi-bics snižuje ztrátu světla ve svislém směru a účinně vytváří trojrozměrné uvěznění, které laseru umožňuje emitovat dostatečné světlo bez plýtvání energie.
Integrací těchto dvou konceptů si vědci vyvinuli laserovou dutinu, která minimalizuje únik energie ve všech směrech, což znamená významné zlepšení oproti tradičním miniaturním návrhům laseru a stanoví nový standard pro kompaktní fotonická zařízení.
Fyzická struktura laseru je stejně inovativní jako jeho koncepční základ. Tým NTU vytvořil periodické uspořádání vzdušných dílek ve tvaru sedmikrásky v polovodičovém fotonickém krystalu, který je vložen mezi dvě vrstvy zlata.
Tato konfigurace funguje jako vysoce efektivní past na světlo, snižuje rozptyl a únik. Pečlivý design tvarů vzduchových dír a uspořádání mřížky je pro vysokou účinnost laseru ústřední, což zajišťuje, že je energie koncentrována tam, kde je potřeba a ztráty jsou minimalizovány.
Toto přesné inženýrství představuje vyvrcholení teoretického modelování, materiálních věd a technik nanofabrikace, což ukazuje, jak může interdisciplinární spolupráce přinést průlom v pokročilých technologiích. Vědci se domnívají, že tyto techniky mohou také inspirovat budoucí vývoj v miniaturizovaných optických obvodech a fotonických senzorů.
Jedním z nejslibnějších aspektů tohoto ultrakompaktního laseru je jeho provozní rozsah. Funguje v oblasti Terahertz, mezi 30 mikrometry a 3 milimetry, je v souladu s frekvenčním spektrem očekávaným pro 6G komunikační systémy. Díky kompaktní velikosti a nízká spotřeba energie z něj činí ideální kandidát pro integraci do bezdrátových sítí nové generace, nositelných zařízení, optických výpočetních platforem a dalších nových technologií, které vyžadují malé a efektivní zdroje světla.
Navíc je design univerzální; Nastavením velikosti vzduchové díry a mřížové konstanty může být laser přizpůsoben pro vydávání světla v jiných vlnových délkách, včetně blízkého infračerveného a viditelného světla.
Tato flexibilita otevírá nové možnosti pro výzkum a vývoj v integrované fotonice a mohla by vést k nové třídě přizpůsobitelných vysoce výkonných laserů, což je činí vhodné pro lékařské zobrazování, snímání životního prostředí a průmyslové aplikace.
Tento vývoj, publikovaný v Nature Photonics na začátku tohoto roku, představuje hlavní milník při hledání energeticky účinných miniaturizovaných světelných zdrojů. Jak poptávka roste pro rychlejší, spolehlivější bezdrátovou komunikaci a sofistikovanější optičtější technologie, řešení, jako je NTU Ultracompact Laser, by se mohla stát základními součástmi digitální infrastruktury.
Řešením základního problému ztráty světla v miniaturních laserových systémech vědci NTU připravili cestu pro praktická, škálovatelná a vysoce výkonná fotonická zařízení, která mohou předefinovat schopnosti komunikačních a výpočetních technologií nové generace.
