Встроенный в чип источник фемтосекундных импульсов откроет новые области применения в квантовых и оптических вычислениях, астрономии, оптической связи и за ее пределами. Однако интегрировать настраиваемые и высокоэффективные импульсные лазеры в чипы оказалось непростой задачей.

Теперь исследователи из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) разработали высокопроизводительный источник фемтосекундных импульсов на кристалле, используя инструмент, который кажется прямо из научной фантастики: временную линзу.

Исследование опубликовано в Природа.

"Импульсные лазеры, которые производят высокоинтенсивные короткие импульсы, состоящие из множества цветов света, остаются популярными", - сказал Марко Лонгар, профессор электротехники Тяньцай Линь в SEAS и старший автор исследования. "Чтобы сделать эти источники более практичными, мы решили использовать хорошо известный подход, используемый для реализации обычных - и больших - фемтосекундных источников, используя современную интегрированную платформу фотоники, которую мы разработали. Важно отметить, что наши чипы изготавливаются с использованием технологий микрообработки, подобных тем, которые используются для изготовления компьютерных чипов, что обеспечивает не только снижение стоимости и размеров, но и повышение производительности и надежности наших фемтосекундных источников".

Традиционные линзы, такие как контактные линзы или те, что используются в увеличительных стеклах и микроскопах, искривляют лучи света, идущие с разных направлений, изменяя их фазу таким образом, чтобы они попадали в одно и то же место в пространстве - в фокусную точку.

Временные линзы, с другой стороны, "изгибают" световые лучи аналогичным образом, но они изменяют фазу световых лучей во времени, а не в пространстве. Таким образом, разные цвета света, которые распространяются с разной скоростью, синхронизируются таким образом, чтобы каждый из них попадал в фокальную плоскость в одно и то же время.

Представьте себе автомобильную гонку, в которой каждый цвет света - это другой автомобиль. Сначала временная линза показывает время выезда каждой машины, затем устанавливает их скорость таким образом, чтобы они прибывали к финишу в одно и то же время.

Для генерации фемтосекундных импульсов устройство команды использует серию оптических волноводов, ответвителей, модуляторов и оптических решеток на платформе из ниобата лития, впервые разработанной Lon?лаборатория ар.

Команда начинает с пропускания непрерывного одноцветного лазерного луча через амплитудный модулятор, который управляет количеством света, проходящего через временную линзу, функция, аналогичная диафрагме в обычном объективе. Затем свет распространяется через "изогнутую" часть линзы, в данном случае фазовый модулятор, где генерируется частотная гребенка разных цветов. Возвращаясь к аналогии с автомобилем, фазовый модулятор создает, а затем выпускает автомобили разных цветов в разное время запуска.

Затем появляется последний компонент лазера - решетка из рыбьей кости вдоль волновода. Решетка изменяет скорость различных цветов света, чтобы привести их все в соответствие друг с другом, вплотную друг к другу в гонке, так что они достигают финишной черты (или фокальной плоскости) в одно и то же время

Поскольку устройство контролирует скорость распространения различных длин волн и когда они попадают в фокальную плоскость, оно эффективно преобразует непрерывный одноцветный лазерный луч в широкополосный источник импульсов высокой интенсивности, который может производить сверхбыстрые 520-фемтосекундные всплески.

Устройство обладает высокой степенью настройки, интегрировано в микросхему размером 2 см на 4 мм и, благодаря электрооптическим свойствам ниобата лития, требует значительно меньшей мощности, чем настольные устройства.

"Мы показали, что интегрированная фотоника обеспечивает одновременное улучшение энергопотребления и размеров", - сказал Мэнцзе Ю, бывший постдокторант SEAS и первый автор исследования. "Здесь нет компромисса; вы экономите энергию и в то же время экономите пространство. Вы просто получаете лучшую производительность по мере того, как устройство становится меньше и более интегрированным. Только представьте - в будущем мы сможем носить с собой фемтосекундные импульсные лазеры в карманах, чтобы определять, насколько свежи фрукты, или отслеживать наше самочувствие в режиме реального времени, или в наших автомобилях для измерения расстояния ".

В настоящее время Юй является доцентом в Университете Южной Калифорнии.

Далее команда намерена изучить некоторые области применения как самого лазера, так и технологии временных линз, в том числе в системах линзирования, таких как телескопы, а также в сверхбыстрой обработке сигналов и квантовых сетях.

Управление по развитию технологий Гарварда защитило интеллектуальную собственность, полученную в результате инноваций лаборатории Loncar в системах ниобата лития. Лонкар является соучредителем HyperLight Corporation, стартапа, который был запущен для коммерциализации интегрированных фотонных чипов на основе определенных инноваций, разработанных в его лаборатории.

Исследование проводилось в сотрудничестве между Гарвардом, HyperLight, Колумбийским университетом и Freedom Photonics.

Соавторами статьи были Дэвид Бартон, Ребекка Ченг, Кристиан Реймер, Прашанта Харел, Лингьян Хе, Линбо Шао, Ди Чжу, Яовен Ху, Ханна Р. Грант, Лейф Йоханссон, Еситомо Окавачи, Александр Л. Гаэта и Миан Чжан.

Проект был поддержан Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны (HR0011-20-C-0137), Исследовательским управлением армии (W911NF2010248), Управлением военно-морских исследований (N00014- 18-C-1043) и Управлением научных исследований ВВС (FA9550-19-1-0376 и FA9550-20-1-0297).