Ученые из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук разработали первый полностью интегрированный мощный лазер, размещенный на чипе из ниобата лития. Исследование опубликовано в журнале Optica. Команда инженеров под руководством профессора электротехники и прикладной физики Марко Лончара использовала для своего интегрированного чипа небольшие, но мощные лазеры с распределенной обратной связью.

Исследователи объединили лазер с электрооптическим модулятором на 50 ГГц из ниобата лития для создания мощного передатчика до 60 мВт в волноводах. Лазеры размещаются в небольших углублениях, выгравированных на поверхности пластины модулятора.

Телекоммуникационные сети дальней связи, оптические соединения центров обработки данных и микроволновые фотонные системы используют лазеры в качестве основы для передачи данных. В большинстве случаев, как отмечают исследователи, лазеры представляют собой внешние по отношению к модуляторам устройства. Такая распределенная система дороже и менее стабильна, чем интегрированная. Кроме того, ее сложнее масштабировать.

Интегрированная тонкопленочная фотоника на ниобате лития — многообещающее направление для реализации высокопроизводительных оптических систем в масштабе чипа, отмечают ученые. Она уже активно используется в работе многих модуляторов, частотных гребней и преобразователей частоты. Однако до настоящего времени не удавалось создать на чипе лазер.

Встроенный лазер в сочетании с электрооптическим модулятором на 50 ГГЦ из ниобата лития. Источник: Second Bay Studios/Harvard SEAS

«В этом исследовании мы применили все приемы и методы нанопроизводства, использованные в предыдущих разработках в области интегрированной фотоники на ниобате лития, чтобы преодолеть эти проблемы и интегрировать мощный лазер в тонкопленочную платформу ниобата лития», — говорит профессор Лончар.

Интеграция тонкопленочных устройств и мощных лазеров, как считают инженеры, открывает возможность для создания мощных, недорогих и высокопроизводительных передатчиков и оптических сетей. Технология позволяет разработать мощные телекоммуникационные системы, полностью интегрированные спектрометры и эффективные преобразователи частоты для квантовых сетей.

«Интеграция высокопроизводительных лазеров значительно снизит стоимость, сложность и энергопотребление будущих систем связи, — отмечает Амирхассан Шамс-Ансари, соавтор исследования. — Это кирпич, который можно интегрировать в более крупные оптические системы разной направленности, такие как датчики, лидары и телекоммуникационные сети».

Ученые продолжат работу, чтобы увеличить мощность лазера и возможности для его применения в других сферах.