6 Minutės
Mokslininkai sukūrė galingą, reguliuojamą lazerį, pakankamai mažą, kad tilptų ant mikročipo. Šis kompaktiškas įrenginys žada greitesnius, pigesnius ir paprastesnius tikslinius šviesos šaltinius, tinkamus panaudojimui nuo autonominių automobilių Lidar sistemų iki atmosferos dujų daviklių.
Mikročipo lazeris, pasižymintis netikėta galia
Tradicinės lazerinės sistemos, skirtos aukštos raiškos matavimams ir ryšiams, dažnai būna didelės, brangios ir sudėtingos eksploatuoti. Multidisciplininė mokslininkų grupė, vadovaujama docentą Johanną Riemensbergerį iš Norvegijos mokslo ir technologijos universiteto (NTNU), kartu su EPFL ir Luxtelligence SA, praneša apie naują mikročipinio lygio (chip-scale) lazerį, kuris įveikia daug praktinių apribojimų. Straipsnyje, paskelbtame žurnale Nature Photonics, demonstruojama stabili, didelės galios spindulys, generuojamas miniatiūrinių fotonikos grandinių ir pažangių medžiagų, integruotų standartinėse lustų platformose.
Šis tyrimas pabrėžia ne tik techninę pažangą, bet ir perėjimą nuo laboratorinių prototipų prie gamybinei aplinkai tinkamų sprendimų. Integruotos fotonikos, heterogeniškos integracijos ir pažangios substratų technologijos leidžia sujungti skirtingas medžiagas viename luste: veiklioji lazerio dalis gali būti pagaminta iš didelio optinio aktyvumo medžiagų, o bangolaidės ir rezonatoriai – iš mažo praradimo silicio nitrido ar kitų dielektrikų. Tokia kombinacija leidžia išlaikyti didelį optinį našumą ir tuo pačiu išnaudoti dideles gamybos apimtis bei standartines puslaidininkių gamybos linijas.
Kaip veikia įrenginys ir kuo jis skiriasi
Pagrindas – kruopščiai suprojektuotas medžiagų ir mikroskopinių šviesos vedimo grandinių derinys. Komanda sukūrė sistemą, kuri generuoja pastovų, stabilų optinį išėjimą, jį galima lygiu ir sklandžiai tunelti per dažnių diapazoną be netikėtų peršokimų (mode hops). Tokia reguliavimo savybė smarkiai palengvina valdymą: vietoje kelių nepriklausomų valdymo elementų vartotojas gali nukreipti lazerį su vienu valdymo parametru, o tai yra didelis privalumas pramoninėms ir mobilioms programoms.
Techniniais terminais, svarbios yra bangolaidžių geometrija, rezonatorių kokybė (Q-faktorius), šiluminio valdymo sprendimai ir etaloninis stabilizavimas. Projektuodami lustą, tyrėjai skyrė dėmesį sklandžiam fazės ir dažnio valdymui, tiekė stabilią optinę galios kondensaciją ir sumažino triukšmą bei atsitiktinius dažnio poslinkius. Rezultatas – spektrovalinė grynos linijos spindulio emisija su pakankamu optiniu intensyvumu, kad būtų tinkama tolimesnėms matavimo grandinėms, pavyzdžiui, interferometrinei arba absorbcijai pagrįstai spektroskopijai.
Be to, gamybos požiūriu svarbu, kad dizainas yra suderinamas su esamomis puslaidininkių gamybos technologijomis. Tai reiškia, kad gaminti galima dideliais kiekiais naudojant priimtinas „fab“ praktikas, taip sumažinant kainą ir padidinant prieinamumą. Tokia mastelio ekonomika gali padaryti pažangią fotoniką prieinamą platesniam prietaisų ir sensorių spektrui, nuo autonominių transporto priemonių iki pramoninės saugos ar aplinkos monitoringo įrenginių.
Svarbiausi techniniai privalumai
- Mikročipo lygio integracija – kompaktiški formatai
- Lygi, greita dažnio reguliacija be rezonansų peršokimų (mode hops)
- Aukšta spindulio stabilumas ir matuojama galia, tinkama jutikliams
- Suderinamumas su standartine gamyba – tinkamas masinei gamybai
Kodėl tai svarbu: nuo Lidar iki dujų aptikimo
Pamėginkite įsivaizduoti Lidar sensorių autonominiame automobilyje, kuris yra mažesnis, pigesnis ir lengviau kalibruojamas. Naujas mikročipo lazeris gali matuoti atstumą centimetro tikslumu, naudodamas atšauktų šviesos impulsų laiką arba užfiksuodamas nedidelius fazės poslinkius grąžintose bangose. Laboratoriniuose bandymuose sistemai pavyko pasiekti tikslumą maždaug keturių centimetrų skalėje, kas yra perspektyvu automobilių ir robotikos atstumo matavimui.
Be to, komanda išbandė įrenginį dujų aptikimo srityje, demonstracijai naudodama vandenilio cianidą (kitas pavadinimas – hidrociandrinas), labai toksišką pėdsakinę dują, kuriai būtina greita ir jautri detekcija. Lazerio reguliavimo galimybė ir spektrinė švara daro jį tinkamą absorbcija pagrįstiems detektoriams: tokiuose prietaisuose nustatomi specifiniai molekuliniai „pirštų atspaudai“ – tam tikri absorbcijos spektralūs ženklai, būdingi konkrečioms molekulėms.
Praktinėse sistemose tokio tipo lazeriai gali būti naudojami tiesioginei atmosferos stebėsenai, pramonės saugai (nuotoliniam nuotekom aptikimui), medicininei diagnostikai (pvz., kvėpavimo analizė) bei laboratorinei spektroskopijai. Integruotas ir lengvai reguliuojamas šviesos šaltinis palengvina fotonikos jutiklių dizainą ir sumažina įrangos energijos sąnaudas bei valdymo sudėtingumą.
Taip pat verta pažymėti, kad chip-scale lazeriai gerai dera su tokiomis moderniomis dujų aptikimo technikomis kaip TDLAS (tunable diode laser absorption spectroscopy) arba ICOS (integrated cavity output spectroscopy), nes gali pasiūlyti greitą dažnio skenavimą, didelę spektrinę rezoliuciją ir pastovią optinę galią. Integruojant lazerį kartu su bangolaidžių tinklu, fotodetektoriais ir elektronika ant to paties arba suderinto substrato, galima sukurti itin kompaktiškus ir energiją taupančius jutiklius, skirtingai nuo tradicinių stacionarių laboratorinių sistemų.
Pasekmės ir tolesni žingsniai
Sumažinus galingus, reguliuojamus lazerius iki mikročipo dydžio, tyrėjai atveria kelią prieinamų ir lauko sąlygomis diegiamų prietaisų kūrimui aplinkos stebėsenai, pramoninei saugai ir ryšių įrangai. Riemensbergeris pažymi, kad derinys tarp našumo ir gamybos galimybių galėtų leisti „mažus, nebrangius ir vartotojui draugiškus matavimo instrumentus bei ryšio priemones, pasižyminčias aukštu našumu.“
Ateities darbai bus nukreipti į ilgalaikio stabilumo gerinimą, lazerio integravimą su detektoriais ir elektronika ant to paties lusto bei našumo patvirtinimą realiomis sąlygomis – tikruose Lidar ir dujų stebėjimo tinkluose. Praktinių diegimų metu reikės spręsti ir tokius iššūkius kaip terminis valdymas, pakavimo (packaging) patikimumas, izoliacija nuo išorinio aplinkos triukšmo ir sertifikavimas pramonės standartams.
Jei šie etapai bus sėkmingai įgyvendinti, mikročipo fotonikos požiūriu tai gali paspartinti tikslinės optinės jutiklių plitimą daugelyje pramonės šakų – nuo automobilių ir robotikos iki energetikos ir aplinkos priežiūros. Be technologinės pažangos, svarbi yra ir ekonominė perspektyva: sumažėjus gamybos savikainai ir padidėjus prieinamumui, naujos kartos Lidar, spektriniai jutikliai ir telekomunikaciniai komponentai gali tapti standartu kasdienėse taikomosiose srityse.
Vis dėlto keli praktiniai klausimai lieka atviri: kaip užtikrinti ilgalaikį fotoninio įrenginio stabilumą ekstremaliomis temperatūros sąlygomis; kaip suvaldyti modulio integraciją taip, kad būtų išlaikytas aukštas Q-faktorius ir spektrinė grynumas; bei kaip pritaikyti pakavimo procesus, kad būtų užtikrintas patikimumas ir ilgaamžiškumas.
Tyrimų kryptys taip pat apima įvairių medžiagų derinius, kurie gali pagerinti optinį aktyvumą ar sumažinti nuostolius bangolaidėse, pažangesnę elektroninę valdymo grandinę didesniam dažnio reguliavimo diapazonui ir greitesniam skenavimui bei sisteminę integraciją su AI pagrįsta signalų apdorojimo grandimi, skirtą realaus laiko duomenų analizavimui. Toks tarpdisciplininis darbas – nuo medžiagų mokslo iki sistemos inžinerijos ir programinės įrangos – yra būtinas, kad ši technologija pasiektų platų pritaikymą rinkoje.
Apibendrinant, mikročipo lygio (chip-scale) reguliuojamas lazeris yra reikšmingas žingsnis link kompaktiškų, ekonomiškų ir plačiai diegiamų optinių matavimo sistemų. Diegimas pramonėje ir lauke pareikalaus papildomų bandymų, standartizacijos bei sąnaudų optimizavimo, tačiau technologinė bazė ir pradinis demonstracinis rezultatas rodo, kad tokie lazeriai gali tapti kertiniu elementu šiuolaikinėje fotonikoje, Lidar sistemose ir dujų aptikime.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą