Znanstveniki na tehnološki univerzi Nanyang (NTU) v Singapurju so dosegli velik preboj fotonike z razvojem energije - učinkovit ultrakompaktni laser, ki obljublja, da bo naslednjič preoblikoval - brezžično komunikacijo in integrirane fotonske sisteme. Manjši od zrnja peska se ta laser spopada z vztrajnim izzivom pri miniaturnem laserskem dizajnu: izguba svetlobe.
Ko se laserji krčijo, energija ponavadi uhaja iz votline in nepopolnosti v fotonskih kristalnih strukturah, poslabša razprševanje, zmanjšanje učinkovitosti in omejuje praktične uporabe. Ta inovacija ponuja rešitev z zmanjšanjem teh izgub, hkrati pa ohranja dovolj svetlobne emisije za uporabo v resničnih - svetovnih tehnologijah, kar lahko omogoča široko paleto aplikacij, ki so bile prej nepraktične.
Raziskovalna skupina NTU, ki sta jo vodila profesor Wang Qijie in dr. Cui Jieyuan, se je pristopila k temu izzivu s ponovnim oblikovanjem zasnove laserske votline. Njihova rešitev združuje dva napredna koncepta v fotoniki: ravne pasove in več - vezana stanja v kontinuumu (BIC).
Ravni pasovi so energetski pasovi, v katerih svetlobni valovi doživljajo blizu - ničelne hitrosti skupine, ki omejujejo energijo znotraj vodoravne ravnine votline. Ta pristop zagotavlja, da se svetloba ne širi nenadzorovano po strukturi, kar pomaga ohranjati intenzivnost in osredotočenost.
Multi - BICS na drugi strani zmanjšuje izgubo svetlobe v navpični smeri in učinkovito ustvari tri - dimenzijsko zaprtost, ki omogoča laserju, da oddaja dovolj svetlobe brez zapravljanja energije.
Z vključevanjem teh dveh konceptov so raziskovalci razvili lasersko votlino, ki zmanjšuje uhajanje energije v vse smeri, kar označuje bistveno izboljšanje v primerjavi s tradicionalnimi miniaturnimi laserskimi modeli in določiti nov standard za kompaktne fotonske naprave.
Fizična struktura laserja je prav tako inovativna kot njena konceptualna temelj. Ekipa NTU je ustvarila periodično razporeditev marjetic - v obliki zračnih vrtin znotraj polprevodniškega fotonskega kristala, ki je zasut med dvema plastma zlata.
Ta konfiguracija deluje kot zelo učinkovita past za svetlobo, zmanjšanje razprševanja in uhajanja. Skrbna zasnova oblik in ureditve rešetk v zraku je osrednja za visoko učinkovitost laserja, kar zagotavlja, da je energija koncentrirana tam, kjer je potrebna, izgube pa so zmanjšane.
Ta natančen inženiring predstavlja vrhunec teoretičnega modeliranja, materialnih znanosti in nanofabrikacijskih tehnik, ki prikazuje, kako lahko interdisciplinarno sodelovanje prinaša preboj v naprednih tehnologijah. Raziskovalci verjamejo, da lahko te tehnike navdihujejo tudi prihodnje dogodke v miniaturiziranih optičnih vezjih in fotonskih senzorjih.
Eden najbolj obetavnih vidikov tega ultrakompaktnega laserja je njen operativni razpon. Deluje v območju Terahertza, med 30 mikrometrov in 3 milimetrov, se uskladi s frekvenčnim spektrom, ki se pričakuje za 6G komunikacijske sisteme. Njegova kompaktna velikost in nizka poraba energije sta idealen kandidat za integracijo v naslednja - brezžična omrežja, nosljive naprave, optične računalniške platforme in druge nastajajoče tehnologije, ki zahtevajo majhne, učinkovite svetlobne vire.
Poleg tega je zasnova vsestranska; S prilagoditvijo velikosti luknje in konstante rešetke lahko laser prilagodimo tako, da oddaja svetlobo v drugih valovnih dolžinah, vključno z infrardečo in vidno svetlobo v bližini -.
Ta prilagodljivost odpira nove možnosti za raziskave in razvoj v integrirani fotoniki in bi lahko privedla do novega razreda prilagodljivih, visokih - zmogljivosti, zaradi česar so primerni za medicinsko slikanje, okoljsko zaznavanje in industrijske aplikacije.
Ta razvoj, objavljen v Nature Photonics v začetku letošnjega leta, predstavlja velik mejnik v iskanju energije - učinkovite, miniaturizirane svetlobne vire. Ko povpraševanje raste po hitrejši, zanesljivejši brezžični komunikaciji in bolj izpopolnjenih optičnih tehnologijah, bi lahko rešitve, kot je NTU Ultracompact Laser, postale temeljne sestavine digitalne infrastrukture.
Z reševanjem temeljnega vprašanja izgube svetlobe v miniaturnih laserskih sistemih so raziskovalci NTU utrli pot za praktične, razširljive in visoke - fotonske naprave, ki lahko na novo definirajo zmogljivosti naslednjih - komunikacijske tehnologije in računalniške tehnologije.
