מדענים באוניברסיטה הטכנולוגית של נאניאנג (NTU) בסינגפור השיגו פריצת דרך משמעותית בפוטוניקה על ידי פיתוח אנרגיה - לייזר אולטרה -קומפקט יעיל שמבטיח להפוך את הבא- לתקשורת אלחוטית ומערכות פוטוניות משולבות. לייזר זה קטן יותר מאשר גרגר חול, מתמודד עם אתגר מתמשך בעיצוב לייזר מיניאטורי: אובדן קל.
כאשר לייזרים מתכווצים, האנרגיה נוטה לברוח מהחלל והפגמים במבני הקריסטל הפוטוניים מחמירה את פיזור, הפחתת היעילות והגבלת יישומים מעשיים. חידוש זה מציע פיתרון על ידי צמצום ההפסדים הללו תוך שמירה על פליטת אור מספקת לשימוש בטכנולוגיות עולמיות אמיתיות {}}, מה שעשוי לאפשר מגוון רחב של יישומים שהיו בעבר לא מעשיים.
צוות המחקר של NTU, בראשותו של פרופסור וואנג קיג'י וד"ר קוי ג'יואן, ניגש לאתגר זה על ידי הדמיה מחדש של עיצוב חלל הלייזר. הפיתרון שלהם משלב שני מושגים מתקדמים בפוטוניקה: להקות שטוחות ורב - מצבים כבולים ברצף (BIC).
להקות שטוחות הן להקות אנרגיה בהן גלי אור חווים ליד - מהירות קבוצתית אפסית, ומגבילים אנרגיה במישור האופקי של החלל. גישה זו מבטיחה כי האור לא יתפשט ללא שליטה על פני המבנה, ועוזר לשמור על עוצמה ומיקוד.
לעומת זאת, Multi - BICS, מצמצם את אובדן האור בכיוון האנכי, ויוצר ביעילות של שלושה - כליאה ממדית המאפשרת לייזר לפלוט אור מספיק מבלי לבזבז אנרגיה.
על ידי שילוב של שני מושגים אלה, החוקרים פיתחו חלל לייזר שממזער את דליפת האנרגיה לכל הכיוונים, ומסמן שיפור משמעותי ביחס לעיצובי לייזר מיניאטוריים מסורתיים וקביעת תקן חדש למכשירים פוטוניים קומפקטיים.
המבנה הפיזי של הלייזר חדשני בדיוק כמו הבסיס הרעיוני שלו. צוות ה- NTU יצר סידור תקופתי של חורי אוויר בצורת חיננית {}} בצורת גביש פוטוני של מוליכים למחצה, המסודר בין שתי שכבות זהב.
תצורה זו משמשת כמלכודת יעילה ביותר לאור, להפחתת פיזור ודליפה. העיצוב הקפדני של צורות חור האוויר וסידור הסריג הוא מרכזי ביעילות הגבוהה של הלייזר, ומבטיח כי אנרגיה מרוכזת במקום בו היא נחוצה וממוזערת ההפסדים.
הנדסה מדויקת זו מייצגת שיא של טכניקות דוגמנות תיאורטיות, מדעי החומרים והננו -ייצור, ומדגים כיצד שיתוף פעולה בין תחומי יכול להניב פריצות דרך בטכנולוגיות מתקדמות. החוקרים מאמינים כי טכניקות אלה יכולות גם לעורר התפתחויות עתידיות במעגלים אופטיים ממוזוגים וחיישנים פוטוניים.
אחד ההיבטים המבטיחים ביותר בלייזר Ultracompact זה הוא הטווח התפעולי שלו. התפקוד באזור טרהרץ, בין 30 מיקרומטר ל -3 מילימטרים, הוא מתיישר עם ספקטרום התדרים הצפוי למערכות תקשורת 6G. גודלו הקומפקטי וצריכת האנרגיה הנמוכה הופכים אותו למועמד אידיאלי לשילוב בשילוב הבא - יצירת רשתות אלחוטיות, מכשירים לבישים, פלטפורמות מחשוב אופטיות וטכנולוגיות מתפתחות אחרות הדורשות מקורות אור קטנים ויעילים.
יתר על כן, העיצוב מגוון; על ידי התאמת גודל חורי האוויר וקבוע הסריג, ניתן להתאים את הלייזר כדי לפלוט אור באורכי גל אחרים, כולל כמעט - אינפרא אדום ואור גלוי.
גמישות זו פותחת אפשרויות חדשות למחקר ופיתוח בפוטוניקה משולבת ויכולה להוביל למעמד חדש של לייזרי ביצועים הניתנים להתאמה אישית, גבוהה -, מה שהופך אותם למתאימים להדמיה רפואית, חישה סביבתית ויישומים תעשייתיים.
פיתוח זה, שפורסם ב- Nature Photonics מוקדם יותר השנה, מייצג אבן דרך מרכזית במסע אחר אנרגיה - מקורות אור יעילים וממוזמנים. ככל שהביקוש גדל לתקשורת אלחוטית מהירה יותר, אמינה יותר וטכנולוגיות אופטיות מתוחכמות יותר, פתרונות כמו לייזר Ultracompact NTU עלולים להפוך לרכיבים יסודיים של התשתית הדיגיטלית.
על ידי התייחסות לנושא הבסיסי של אובדן אור במערכות לייזר מיניאטוריות, חוקרי ה- NTU סללו את הדרך למכשירים פוטוניים מעשיים, ניתנים להרחבה וגבוהים - העשויים להגדיר מחדש את היכולות של טכנולוגיות התקשורת והמחשוב של הדור הבאים {1}.
