Nat Bowers
Electronic Specifier
Терагерцовое излучение – участок электромагнитного излучения между микроволнами и видимым светом – имеет многообещающие перспективы применения в области устройств безопасности и медицинской диагностики, однако такие устройства требуют разработки компактных, малопотребляющих и высококачественных терагерцовых лазеров
В статье, опубликованной журналом Nature Photonics, исследователи из Массачусетского технологического института и Сандийских национальных лабораторий описали новый способ создания терагерцовых лазеров, способный значительно снизить их размеры и потребляемую мощность, и в то же время позволить лазерам излучать более сжатые лучи, что является ключевым требованием для большинства практических применений.
 |
| Профессор Цин Ху. |
Кроме того, эта работа представляет совершенно новый подход к конструкции лазера, который может иметь последствия также и для лазеров видимого света.
Созданное исследователями устройство представляет собой размещенный на одном чипе массив из 37 микролазеров. Низкое энергопотребление устройства объясняется тем, что излучения всех лазеров «подстроены по фазе», то есть, впадины и гребни их волн идеально выровнены. Устройство демонстрирует принципиально новый способ фазовой синхронизации массивов лазеров.
Описав в своей работе четыре ранее существовавших метода фазовой синхронизации, исследователи показали, что на микроуровне все они имеют недостатки. Некоторые требуют настолько близкого размещения фотонных компонентов, что их было бы трудно изготовить. Другие методы требуют размещения дополнительных фотонных компонентов вне кристалла, которые при этом должны быть точно спозиционированы относительно лазеров. Новое же устройство, напротив, является монолитным, а это означает, что оно вытравливается полностью из цельного блока материала.
«Вся эта работа инспирирована технологией антенн, – говорит Цин Ху (Qing Hu), выдающийся профессор электротехники и информатики Массачусетского технологического института, возглавляющий группу исследователей. – Люди, работающие у нас над лазерами, как правило, являются специалистами в области фотоники. А разработчики СВЧ техники на самом деле – другое сообщество, они имеют совершенно иной склад ума. Мы действительно были вдохновлены очень продуманными СВЧ-технологиями и достигли чего-то концептуально принципиально нового».
Продолжая работу
Лазерная матрица исследователей основывается на том же принципе, который лежит в основе широковещательного ТВ и радио. Электрический ток, проходящий через радиоантенну, создает электромагнитное поле, а электромагнитное поле индуцирует соответствующий ток в соседних антеннах. В матрице Ху и его коллег каждый лазер генерирует электромагнитное поле, индуцирующее ток в окружающих его лазерах, который в свою очередь синхронизирует фазу эмитируемого ими излучения.
Этот подход основан на том, что ранее рассматривалось как недостаток миниатюрных лазеров. Лазеры масштаба чипа были предметом активных исследований в течение многих десятилетий в связи с интересом к их потенциальному использованию для межчиповой связи внутри компьютеров, а также в экологических и биохимических датчиках. Однако по мере уменьшения размеров лазера его излучение становится все более рассеянным. «Это совсем не похоже на луч лазерной указки, – объясняет Ху. – Миниатюрный лазер излучает во все стороны, как крошечная антенна».
Если лазер масштаба чипа предназначен для излучения в одном направлении, то любые излучения в боковых направлениях являются прямыми потерями и увеличивают потребление энергии. Но конструкция Ху и его коллег возвращает это уходящее в боковых направлениях излучение.
На самом деле, чем больше лазеров они добавят в свою матрицу, тем больше эмитированного в боковом направлении излучения будет поймано и возвращено, и тем ниже будет порог мощности, при которой матрица начинает производить лазерный свет. А поскольку испускаемое в поперечном направлении излучение может распространяться на большие расстояния, преимущества, которые дает увеличение размеров матриц, становятся еще более очевидными.
«Я твердо убежден, что все физические явления имеют свои плюсы и минусы, – говорит Ху. – Вы просто не можете сказать однозначно, что такое-то и такое поведение является универсально хорошим или плохим».
Сжатие
Значительная часть энергии пойманного и бокового излучения переизлучается в направлении, перпендикулярном к матрице. Таким образом, выходящий из матрицы луч намного плотнее, чем излучаемый другими экспериментальными однокристальными лазерами. А плотный луч имеет важное значение для большинства предполагаемых областей применения терагерцового излучения.
В системах безопасности, например, терагерцовое излучение может направляться на химический образец, который будет поглощать некоторые частоты сильнее, чем другие, производя характерный спектр поглощения. Чем плотнее луч, тем больше излучения достигает как образца, так и впоследствии детектора, что дает более четкий сигнал.
Соавторами статьи Ху являются Цзун-Ю Као (Tsung-Yu Kao) бывший аспирант Массачусетского института в области электротехники, ставший в настоящее время директором по технологиям LongWave Photonics – компании, продающей терагерцовые лазеры, и Джон Рено (John Reno) из Сандийских национальных лабораторий.
