Ученые из Российского квантового центра, МГУ, МФТИ и Швейцарии выяснили, как можно встроить сверхчувствительный лазерный химический анализатор в обычный кремниевый чип. Описание методики их «печати» было представлено в журнале Nature Communications .

«Вся система может уместиться в объеме менее кубического сантиметра и, что самое важное, требует источник тока мощностью лишь 1 ватт — то есть обычную батарейку. Совместимость со стандартными технологиями производства электроники, простота оптической схемы и низкая стоимость делают эту систему крайне привлекательной для массового производства», — рассказывает Андрей Волошин из Российского квантового центра.

Два года назад ныне покойный Михаил Городецкий, научный руководитель РКЦ и профессор МГУ, создал компактное устройство, фотонный чип, который позволяет получать лазерный луч с необычным спектром, похожим на расческу или гребенку, для чего обычно применяется сложная, громоздкая и дорогостоящая система лазеров.

Как тогда говорил физик, разработанная его группой технология позволит уменьшить этот прибор в «сто тысяч раз». Классическое устройство такого типа представляет собой коробку размерами метр на метр, а объем их компактного резонатора составит всего один кубический сантиметр.

Такие «гребенчатые» импульсы интересны ученым и инженерам из-за того, что они позволяют «конвертировать» сигналы из радиочастотной части спектра в оптический диапазон и наоборот, что поможет в разы улучшить точность GPS-приемников, часов, спектрометров и астрономических приборов.

За открытие методики создания этой «гребенки» при помощи лазеров Джон Холл и Теодор Хэнш получили нобелевскую премию по физике 2005 года.

Основой этого прибора стал так называемый микрорезонатор. Если говорить просто, он представляет собой кольцо-«бублик» из особого материала, нитрида кремния или фторида магния, где свет движется по кругу, отражаясь от его стенок. Стенки этого прибора можно построить таким образом, что определенные импульсы будут усиливаться, а другие – гаситься, что и позволяет получать лазерные импульсы с «гребенчатым» спектром.

Год назад Городецкий и его коллеги совершили большой прорыв в практической реализации этой технологии – им удалось приспособить ее для работы с источниками «некачественного» света, в том числе дешевыми и компактными лазерными диодами.

Это резко удешевило ее и позволило ученым задуматься о практическом воплощении этих идей.

Как передает пресс-служба МФТИ, для этого им пришлось решить еще одну проблему – понять, как изготовить все компоненты оптического устройства из материалов, совместимых с современными методиками «печати» микросхем, и заменить все сложные элементы, такие как линзы или зеркала, которые нельзя производить массовым образом.

Российские ученые и их коллеги из Высшей политехнической школы в Лозанне обошли все эти препятствия, используя миниатюрные лазерные диоды на базе индия и фосфора, а также микрорезонатор, изготовленный из соединения кремния и азота при помощи технологии послойной «дамасской» печати.

Используя эту методику, им удалось изготовить почти идеальный по своим свойствам резонатор, чей размер составлял всего один миллиметр, и успешно подключить его к лазеру. Это устройство вырабатывает самостабилизирующийся лазерный луч мощностью в 100 милливатт, потребляя при этом меньше одного ватта энергии.

«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 гребенка с высокой степенью когерентности", — объясняет Софья Агафонова из МФТИ.

Как отмечают ученые, подобные излучатели можно будет встроить в чипы, которые применяются не только при изготовлении химических анализаторов, но и при создании высокоскоростных систем связи, лазерных радаров и других устройств, где нужны высококачественные оптические гребенки.

В дальнейшем ученые планируют разработать компактный спектрометр, многочастотный источник узкополосного лазерного излучения. Для этого необходимо развить технологию производства фотонных интегральных устройств и решить несколько других инженерных проблем.