8 Minute
Cercetătorii au construit un laser puternic și tunabil suficient de mic pentru a încăpea pe un microcip. Acest dispozitiv compact promite surse de lumină de înaltă precizie, mai rapide, mai ieftine și mai simple, pentru aplicații care merg de la Lidar pentru vehicule autonome până la detectarea gazelor din atmosferă.
Un laser pe microcip care oferă o putere surprinzătoare
Sistemele laser folosite pentru măsurători de înaltă precizie și comunicații sunt în general voluminoase, costisitoare și greu de operat. O echipă multidisciplinară condusă de conferențiarul asociat Johann Riemensberger de la Norwegian University of Science and Technology (NTNU), în colaborare cu EPFL și Luxtelligence SA, raportează un nou laser la scară de cip care depășește multe dintre aceste limitări practice. Publicat în Nature Photonics, studiul demonstrează un fascicul stabil și de înaltă putere produs de circuite fotonice miniaturizate și materiale avansate integrate pe platforme standard de cip.
Prin combinarea conceptelor din fotonica integrată, ingineria materialelor și procese moderne de fabricație semiconductor, echipa a reușit să obțină un raport între performanță și dimensiune care schimbă raportul de cost-beneficiu al sistemelor optice de precizie. Rezultatul nu este doar un prototip de laborator, ci un exemplu clar de tehnologie compatibilă cu producția în serie, ceea ce-l face relevant pentru implementări comerciale în domenii precum Lidar, senzori industriali și comunicații optice.
Cum funcționează dispozitivul și ce îl diferențiază
În nucleul inovației se află un amestec de materiale proiectate și circuite microscopice care ghidează lumina. Echipa a conceput un sistem care produce un semnal optic continuu și stabil, ce poate fi reglat fin pe frecvență fără să apară salturi bruște (mode hops). Această capacitate de a regla frecvența lin simplifică controlul: în loc să gestionezi mai multe reglaje separate, utilizatorii pot direcționa laserul cu un singur parametru de control.
Tunabilitatea fină și puritatea spectrală se obțin prin integrarea unor componente precum rezonatoare, ghiduri de undă pe bază de materiale cu pierderi reduse și elemente active optimizate pentru emisii coerente. De multe ori astfel de soluții implică fuziunea materialelor active III-V cu platforme pasive precum siliciul sau nitru de siliciu, folosind tehnici de integrare eterogenă sau de lipire la nivelul waferului. Rezultatul este un laser pe microcip care păstrează controlul de fază și stabilitatea necesare pentru aplicațiile de măsurare de precizie.
Deoarece fabricația folosește tehnici semiconductor existente, laserul poate fi scalat în producție și oferit la costuri mai mici comparativ cu multe lasere de precizie tradiționale. Această compatibilitate cu fluxurile de fabricație CMOS și cu procesele de fotolitografie în volum reprezintă un avantaj competitiv important pentru adoptarea în masă a fotonicii integrate.
Avantaje tehnice cheie
- Integrare la scară de cip pentru factori de formă compacți
- Reglare frecvență lină și rapidă, fără mode hops
- Stabilitate ridicată a fasciculului și putere măsurabilă, adecvate pentru senzori
- Compatibilitate cu procesele standard de fabricație pentru producție în masă
Pe lângă aceste avantaje de bază, proiectul subliniază și alte atribute esențiale pentru aplicațiile practice: eficiența energetică, repetabilitatea parametrilor între unități fabricate și posibilitatea de a integra componente de control electronic pe aceeași platformă. Toate acestea fac tehnologia atractivă pentru producători de senzori optici, integratori de sisteme Lidar și furnizori de echipamente pentru monitorizarea mediului.
De ce este important: de la Lidar la detectarea gazelor
Imaginează-ți un senzor Lidar într-o mașină autonomă care este mai mic, mai ieftin și mai ușor de calibrat. Noul laser pe cip poate măsura distanțe cu precizie de ordinul centimetrelor prin cronometrarea impulsurilor de lumină reflectate sau prin detectarea unor mici deplasări de fază în undele reflectate. În evaluările de laborator a atins o acuratețe de aproximativ patru centimetri — un rezultat promițător pentru aplicațiile din domeniul auto și al roboticii pentru determinarea distanțelor și hărțuire 3D.
Aplicațiile Lidar depind adesea de surse laser stabile, tunabile și de putere suficientă pentru a obține un raport semnal-zgomot bun la distanță. Laserul pe microcip demonstrat adresează aceste nevoi prin combinația dintre putere coerentă, stabilitate spectrală și posibilitatea de reglaj fin, toate într-un pachet compact. Aceasta poate reduce costurile sistemelor Lidar și poate facilita integrarea în platforme cu constrângeri de spațiu, precum vehiculele autonome, dronele și dispozitivele robotice.
Echipa a testat, de asemenea, dispozitivul pentru detectarea gazelor, folosind cianura de hidrogen ca țintă demonstrativă. Cianura de hidrogen (cunoscută și sub denumirea de acid hidrocianic) este un gaz foarte toxic detectat în cantități de urme în multe scenarii industriale sau accidentale, motiv pentru care detecția rapidă și sensibilă este esențială. Tunabilitatea precisă și puritatea spectrală a laserului fac din el un candidat potrivit pentru detectoare bazate pe absorbție, care identifică amprente moleculare specifice în atmosferă.
Detectoarele optice bazate pe spectroscopie de absorbție—de exemplu, tehnici precum TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy) sau spectroscopie la un singur canal—profită de posibilitatea de a scana ușor peste linii spectrale moleculare. Un laser tunabil pe microcip, cu stabilitate pe termen scurt și lung, poate permite sisteme portabile de monitorizare a calității aerului, soluții pentru siguranța industrială în rafinării sau fabrici chimice și stații de monitorizare a mediului cu costuri și consum redus.
Implicații și pași următori
Prin miniaturizarea laserelor tunabile pe un cip, cercetătorii deschid căi către instrumente accesibile și ușor de folosit pentru monitorizarea mediului, securitatea industrială și echipamente de comunicații. Riemensberger notează că combinația dintre performanță și posibilitatea de fabricare ar putea permite „instrumente de măsurare mici, ieftine și prietenoase cu utilizatorul, dar cu performanțe ridicate”.
Următoarele etape ale proiectului vor viza îmbunătățirea stabilității pe termen lung, integrarea laserului cu detectoare și electronice pe aceeași platformă și validarea performanțelor în sisteme Lidar și de monitorizare a gazelor din mediul real. Integrarea completă electronică-optică (soz-numita electronică și fotonică integrate) va reduce necesarul de interconexiuni externe, va scădea consumul energetic și va crește fiabilitatea în aplicații industriale și comerciale.
Dacă acești pași vor avea succes, abordarea fotonicii la scară de cip ar putea accelera adoptarea senzorială optică de precizie în numeroase industrii: automotive, aeronautică, robotică, monitorizare industrială, sănătate publică și telecomunicații. În plus, reducerea costului unităților ar permite distribuirea largă a senzorilor optici în rețele de monitorizare a calității aerului sau în infrastructuri smart city.
Din punct de vedere tehnologic, următoarele provocări includ optimizarea managementului termic la scară mică, reducerea zgomotului de fază și asigurarea reproducibilității parametrilor între loturi de fabricație. În practică, proiectanții vor trebui să echilibreze cerințele de putere opticã, stabilitate spectrală și compatibilitate cu procesele de fabricație CMOS pentru a obține un produs comercial viabil.
Pe lângă îmbunătățirea caracteristicilor laserului în sine, integrarea cu circuite de control, modulare digitală și algoritmi de calibrare automată va juca un rol esențial în transformarea prototipului într-un produs. De exemplu, tehnici de compensare a derivațiilor termice sau scheme de feedback active pot asigura că performanța rămâne constantă în medii variabile, cum ar fi condițiile exterioare pentru Lidar sau mediul industrial pentru detectoare de gaze.
Concluzionând, acest tip de inovație în fotonica integrată și laserii pe microcip ilustrează modul în care progrese în materiale, design de circuite optice și procese de fabricație pot convergenta pentru a livra soluții mai eficiente. Prin reducerea dimensiunii și a costului, aceste tehnologii au potențialul de a democratiza accesul la instrumente de măsurare optică avansată, deschizând aplicații noi și îmbunătățind cele existente în sectoare cruciale pentru economie și sănătate publică.
Sursa: scitechdaily
Lasă un Comentariu