Egy optikai nagy teljesítményű erősítő mikroeszközökhöz

A nagy teljesítményű erősítő (kép: DESY, Neteesh Singh / Jan Lorenzen) / (Kép: DESY, Neteesh Singh / Jan Lorenzen)

A DESY kutatói egy milliméternél kisebb, több mint egy watt kimeneti teljesítményű nagy teljesítményű erősítőt valósítottak meg szilícium-alapú optikai mikrochipeken. Ez a kimeneti teljesítmény többszöröse annak, ami eddig ezen a kisméretű skálán elérhető volt, és lehetővé teszi nagy teljesítményű chipen belüli erősítők alkalmazását az integrált fotonika érdekében, külső erősítők helyett. Így sokkal egyszerűbben és olcsóbban lehet miniaturizált eszközöket és szenzorokat működtetni, mint például az orvosi sebészetben, lézeres távérzékelésben, telekommunikációban, de a jövőbeni gyorsítószerkezetek és röntgengépek optikai áramköreiben is egyre gyakoribbá válnak. A kutatók most kísérletileg igazolták, hogy ezek a nagyon kompakt nagy teljesítményű erősítők lehetségesek, amiről a Nature Photonics folyóiratban számolnak be.

A nagy teljesítményű erősítők kritikus alkotóelemei a modern optikai rendszereknek. „Hogy szélesebb körben alkalmazhassuk őket, ezeknek a rendszereknek nagyon kicsinek kell lenniük, hasonlóan a mikroelektronikához – lehetőleg milliméteres méretűek –, ugyanakkor kevesebb teljesítményt nem szabad nyújtaniuk. Emellett tömegesen gyárthatónak kell lenniük, így alacsony költségűek lehetnek” – mondja a tanulmány első szerzője, Neetesh Singh, aki a DESY ultrarövid impulzusú lézer- és röntgenfizikai csoportjában dolgozik a Free-Electron Laser Science Centerben (CFEL). A miniaturizáció azonban határokat szab, mert egy optikai rendszer annál kevesebb energiát tud tárolni és teljesítményt nyújtani, minél kisebb. Eddig nem sikerült ilyen kicsi optikai nagy teljesítményű erősítőket építeni, amelyeket mikrochipekre lehet integrálni. Ehelyett ilyen mikrorendszerek eddig külső, sokkal nagyobb asztali erősítőkre voltak utalva.

Az új tanulmányban azonban Singh csapata először használt egy ún. Large Mode Area (LMA) hullámvezetőt, amit korábban kifejlesztett, hogy egy fényjelet a legkisebb helyen erősítsen. Lényeges ebben a folyamatban a hullámvezető által vezetett elektromos tér keresztmetszeti területe, amit „módnak” neveznek. A jelenlegi kísérletekben Singh csapata sikerült a szilínium-nitrid és alumínium-oxid anyagokból készült fotonikus hullámvezető keresztmetszeti területét 1-ről 30 négyzetmikrométerre növelni. Így a kimeneti teljesítményt néhány tucat milliwattól több wattig lehetett növelni.

Ezt egy kifinomult, mindössze négy négyzetmilliméteres mikrochip felületének kialakításának köszönhetjük, amelyen a fényjel egy keskeny, beágyazott szilínium-nitrid hullámvezetőn keresztül halad, amit alumínium-oxid réteg kontrollált vastagsággal borít. A szilínium-nitrid hullámvezető többször is vezethet egy ún. LMA- régiót. A hullámvezetőben vezetett optikai jel kezdetben kicsi, gyenge, és a hullámvezetőben halad. Ezután azonban egy célzottan kialakított hullámvezető-bővítésen megy keresztül. „Ezáltal a mód úgynevezett kinyomódik a hullámvezetőből, jelentősen megnöveli keresztmetszetét, és most úgy lebeg, mint egy felhő a hullámvezető fölött lévő alumínium-oxid rétegen” – magyarázza Singh. „Ez közben kapcsolatban marad az eredeti hullámvezetővel, mint egy meleg levegő ballon a kosarával.”

Az alumínium-oxid réteg tele van thulium-ionokkal, amelyeket egy ún. optikai pumpálással – egy külső lézerrel – gerjesztett, azaz energiadús állapotba hoznak. Ezek az ionok kölcsönhatásba lépnek a mód jelének fotonjával egy viszonylag nagy területen, amit „Large Mode Area” vagy „LMA” régiónak neveznek. És mivel a mód most ilyen nagy, a fotonok sok energiadús ionnal léphetnek kölcsönhatásba, és elvehetik tőlük az energiát: „Ahogy egy nagy hókotró több havat takarít el egyszerre, mint egy kis lapát, egy nagy mód több iont tartalmaz” – mondja Singh.

Az eredeti jel tovább erősödik, mivel többször is átvezetik a LMA-részen. Ehhez a hullámvezető ismét kitágul, visszahúzza a felette lebegő jelfelhőt a szűk szilínium-nitrid hullámvezetőbe, a chip szélén 180 fokos kanyart ír le, újra átvezeti a LMA-részen, és ismét bővül, így a mód újra az energiadús rétegbe préselődik, hogy még több teljesítményt nyerjen.

Így végül sokkal erősebb jelet kapunk, mint a kezdetekkor. És mindezt a legkisebb helyen, egy mikrochipen belül integrálva. Melynek eredményeként a jel minősége megmarad. Külső erősítők így sok rendszerben szükségtelenné válnak, és a rendszerek nemcsak kisebbek, hanem olcsóbbak és megbízhatóbbak is lesznek: „Mikro-LMA nagy teljesítményű erősítőnk lehetővé teszi, hogy a jövőben összetett optikai áramköröket integráljunk magas kimeneti teljesítménnyel, ahogyan ezt már régóta ismerjük a mikroelektronikában. Ez lehetővé teszi, hogy a jövőben összetett optikai rendszereket gyártsunk gyorsítókhoz, röntgengépekhez vagy más alkalmazásokhoz, költséghatékonyan és magas megbízhatósággal” – hangsúlyozza Franz Kärtner, az ultrarövid impulzusú lézer- és röntgenfizikai csoport vezetője, aki a Hamburgi Egyetemen fizika professzora is.

Ez a kutatási munka támogatást kapott az European Innovation Council – EIC-Pathfinder Program „Femtochip” című projektje, valamint a német kutatási központ (DFG) 2111-es szekcióprogramja „Ultraschnelle Signalverarbeitung durch Verwendung von nanophotonischer/-elektronischer Technologie” (PACE, 403188360) által. A gyártási folyamatot a svájci LIGENTEC SA céggel és a Twentei Egyetem MESA+ intézetében Sonia M. Garcia-Blanco csoportjával együttműködve végezték, lásd https://www.femtochip.eu/.

A „Watt-class silicon photonics-based optical high-power amplifier” eredeti publikáció DOI száma 10.1038/s41566-024-01587-9: https://www.nature.com/articles/s41566-024-01587-9