Создан лазерный химический анализатор, который можно внедрить в любой гаджет

Поясним, что оптические частотные гребёнки, за создание которых в 2005 году была присуждена Нобелевская премия по физике, используются как основа для устройств, способных генерировать последовательность фемтосекундных импульсов света.

Их излучение имеет спектр в виде "гребёнки", то есть множества узких спектральных линий, разделённых равными частотными промежутками.

Такие лазерные "линейки" можно использовать для телекоммуникации, в спутниковой навигации, в астрофизике. В частности, с их помощью можно проводить очень точные и быстрые спектроскопические измерения и, следовательно, определять химический состав веществ.

Но широкое применение устройств на основе оптических гребёнок ограничено из-за их сложности, большого размера и высокой стоимости.

Проще всего генерировать такие гребёнки с помощью микрорезонаторов, то есть "колец" или дисков из оптических материалов, где излучение лазера накачки из-за нелинейности материала превращается в частотную гребёнку.

Ранее группа под руководством ныне покойного профессора МГУ Михаила Городецкого, основавшего лабораторию когерентной микрооптики и радиофотоники в РКЦ, разработала метод генерации частотных гребёнок в микрорезонаторах с помощью дешёвых и компактных лазерных диодов вместо дорогих монохроматических лазерных систем.

Эта работа, опубликованная в Nature Photonics в 2018 году, открыла дорогу к созданию дешёвых и компактных лазерных спектрометров.

Теперь эта же группа продемонстрировала новый способ генерации гребёнок с использованием исключительно интегральных элементов. Это означает, что для создания оптической схемы необязательно использовать отдельные оптические элементы, такие как линзы, призмы и зеркала (как это делалось в оптике обычно и что крайне неудобно, когда нужно организовать массовое производство миниатюрных оптических устройств).

Современные литографические технологии позволяют создавать специальные волноводы для лучей света. Излучение лазеров может генерироваться в таких волноводах, делиться на разные каналы, проходить через специальные фильтры и так далее.

Фактически маленький диод в лазерной указке и есть кусочек такого волновода. Важно, что такие волноводы могут быть изготовлены с помощью стандартной КМОП-технологии (комплементарный металл–оксид–полупроводник), используемой в промышленных масштабах для производства электронных микросхем.

В созданном авторами статьи устройстве впервые в мире для накачки оптического микрорезонатора из нитрида кремния использовался недорогой лазерный диод.

Микрорезонатор с диаметром намного меньше миллиметра имеет крайне низкий уровень потерь за счёт особого метода послойного напыления — Damascene process, сходного с методом производства дамасской стали.

"Часть излучения, циркулировавшая внутри микрорезонатора, попадала обратно в лазерный диод, что обеспечивало быструю оптическую обратную связь. Благодаря этому процессу, который в радиофизике называют "затягиванием", система работала как мощный стабилизированный лазер, а в микрорезонаторе генерировалась оптическая гребёнка с высокой степенью когерентности и частотой 88 гигагерц", — объясняет соавтор исследования Софья Агафонова из МФТИ.

"Простую и дешёвую оптическую гребёнку, которая встраивается в оптические интегральные схемы, можно использовать во многих фотонных системах нового поколения, например, в лидарах, для спектроскопии и высокоскоростной передачи данных", — замечает профессор МГУ Игорь Биленко, руководитель лаборатории РКЦ, в которой велась работа.

По словам одного из ведущих авторов исследования Андрея Волошина из МФТИ, вся система может уместиться в объёме менее одного кубического сантиметра.

"И, что самое важное, [устройство] требует источник тока мощностью лишь 1 ватт — то есть обычную батарейку, – добавляет он. – Совместимость со стандартными технологиями производства электроники, простота оптической схемы и низкая стоимость делают эту систему крайне привлекательной для массового производства".

В дальнейшем учёные планируют разработать компактный спектрометр, многочастотный источник узкополосного лазерного излучения. Для этого необходимо развить технологию производства фотонных интегральных устройств.

Исследования были выполнены при финансовой поддержке Российского научного фонда.

Научная статья по итогам работы опубликована в журнале Nature Communications.

В руках учёного чип с интегральными микрорезонаторами из нитрида кремния (слева) и чип лазерного диода из фосфида индия в корпусе (справа). Фото предоставлено авторами исследования.