חוקרי EPFL הדגימו לייזר אולטרה־מהיר על שבב, שעשוי להחליף בעתיד חלק ממערכות המעבדה הגדולות במדידות, חישה וספקטרוסקופיה
לייזרים אולטרה־מהירים הם כלי עבודה חשובים במדע ובטכנולוגיה. הם מפיקים פולסים קצרים במיוחד, בסדר גודל של פמטו־שניות, ומשמשים בין היתר במדידת תהליכים מהירים, בספקטרוסקופיה, בשעונים אטומיים, בעיבוד חומרים וביישומים רפואיים. הבעיה היא שמערכות כאלה הן לרוב גדולות, יקרות ומורכבות לתפעול. מחקר חדש של חוקרי EPFL, שפורסם ב־Nature, מציג דרך להקטין חלק מהיכולות האלה לשבב פוטוני. (Nature)
החוקרים הדגימו לייזר נעול־מצבים משולב, המבוסס על שבב סיליקון ניטריד שבו הושתלו יוני ארביום. לפי המאמר, הלייזר מפיק רכבת פולסים בתדירות 176 מגה־הרץ, עם אנרגיית פולס בתחום הננו־ג’ול, וניתן לדחוס את הפולסים ל־147 פמטו־שניות. הנתונים האלה חשובים משום שמקורות פוטוניים משולבים קודמים התקשו לספק אנרגיית פולס מספקת לתהליכים לא־ליניאריים, כמו יצירת סופר־קונטינואום.
לא רק מזעור
הכותרת המתבקשת היא “לייזר על שבב”, אך הסיפור אינו רק גודל. בלייזרים אולטרה־מהירים, השאלה המרכזית היא לא רק אם אפשר לייצר פולסים קצרים, אלא אם הם חזקים, יציבים וקוהרנטיים מספיק כדי להניע יישומים ממשיים. Nature מדווח כי המערכת החדשה מפיקה אנרגיית פולס שגדולה ביותר משני סדרי גודל ממקורות פוטוניים משולבים קודמים, ומתקרבת מבחינה זו לביצועי לייזרי סיב גדולים יותר.
המערכת מבוססת על ארכיטקטורה המכונה Mamyshev oscillator. במקום להסביר אותה כ”קסם אופטי”, נכון יותר לתאר אותה כמנגנון סינון ובקרה: האור עובר הרחבה ספקטרלית בתווך לא־ליניארי, ולאחר מכן מסננים אופטיים מאפשרים רק לחלק מהאור להמשיך להסתובב בחלל הלייזר. בדרך זו פולסים חזקים נשמרים ומתעצבים, ואילו רכיבים חלשים יותר מסוננים החוצה.
שבב במקום שולחן אופטי
על פי הודעת EPFL, השבב מציג ארכיטקטורת לייזר שבעבר הייתה מוגבלת למערכות גדולות יותר, ומכווץ אותה לקנה מידה של מילימטרים. בתמונה שפרסמה האוניברסיטה נראה השבב מונח על מטבע של פרנק שווייצרי אחד, כדי להמחיש את קנה המידה.
המשמעות האפשרית היא מעבר הדרגתי ממערכות אופטיות גדולות ומורכבות אל רכיבים שמיוצרים בטכנולוגיות של שבבים. ייצור כזה עשוי לאפשר בעתיד התקנים קומפקטיים יותר, יציבים יותר וזולים יותר, אם הפיתוח יבשיל לייצור רחב. כאן חשוב להיזהר: המחקר מציג הדגמה מדעית מתקדמת, לא מוצר מסחרי מיידי.
מה אפשר לעשות עם פולסים כאלה
במאמר ב־Nature מדווחים החוקרים כי הלייזר הצליח להניע ישירות יצירת סופר־קונטינואום במוליך גל מסיליקון ניטריד, ללא הגברה נוספת. סופר־קונטינואום הוא אור רחב־ספקטרום שנוצר מתהליכים לא־ליניאריים, והוא שימושי למדידות, ספקטרוסקופיה, מטרולוגיה ויישומים נוספים.
החוקרים גם הדגימו ספקטרומטר קומפקטי בתחום הטרה־הרץ שהופעל באמצעות המקור החדש, עם רוחב פס של 5 טרה־הרץ וטווח דינמי של 90 דציבל. לפי Nature, המערכת שימשה להדגמת ניתוח כימי ללא מגע ובדיקה של חומרים. אלה עדיין הדגמות מחקר, אך הן מראות שהפולסים אינם רק נתון מספרי יפה, אלא יכולים להניע מערכת מדידה שלמה.
חשיבות לשבבים ולפוטוניקה משולבת
הפיתוח משתלב במגמה רחבה יותר: העברת רכיבים אופטיים שהיו בעבר חיצוניים, גדולים ומדויקים מאוד אל שבבים פוטוניים. בדומה לשבבים אלקטרוניים, גם שבבים פוטוניים יכולים להיבנות בפרוסות שבבים, לשלב כמה פונקציות על אותו רכיב ולהתחבר למערכות אחרות. אם לייזרים אולטרה־מהירים יוכלו להשתלב בדרך זו, הם עשויים להרחיב את השימוש בכלי מדידה מתקדמים מחוץ למעבדות ייעודיות.
עבור CHIPORTAL, הזווית המרכזית היא פוטוניקה משולבת וייצור רכיבים אופטיים בקנה מידה של שבבים. עבור הידען, הזווית הרחבה יותר היא מדע מדידה: כלי קטן יותר למדוד תהליכים מהירים, לזהות חומרים, לשפר ספקטרוסקופיה ולפתח מערכות חישה ניידות. בשני המקרים, הניסוח הנכון הוא לא “מהפכה מיידית”, אלא שלב חשוב בהקטנת טכנולוגיה אופטית מתקדמת.
FAQ קצר:
מהו לייזר פמטו־שניות? לייזר שמפיק פולסים קצרים במיוחד, בסדר גודל של קוודריליונית השנייה.
מה חדש במחקר שלEPFL? החוקרים הצליחו לשלב על שבב פוטוני מקור שמפיק פולסים קצרים ובעלי אנרגיה גבוהה יחסית למערכות משולבות קודמות.
האם מדובר במוצר מסחרי? לא. זו הדגמה מחקרית, אך היא מצביעה על כיוון ליישומים קומפקטיים יותר בעתיד.
