20 Yıllık Rüya Gerçek Oldu: Devasa Lazer Sistemleri Çipe Sığdırıldı

Hızlı Erişim / İçindekiler

• Femtosaniye Lazerlerin Çip Üzerindeki Evrimi
• Gözden Kaçan Mimari: Mamyshev Osilatörü
• Kibrit Çöpü Boyutunda Devasa Güç ve Gelecek Potansiyeli

Modern optik dünyasının en güçlü araçlarından biri olan femtosaniye lazerler, saniyenin katrilyonda biri gibi akılalmaz kısalıkta ışık darbeleri üretiyor. Bugüne kadar laboratuvarlarda koca optik masaları kaplayan, milyonlarca liralık devasa ve hassas sistemler olan bu cihazlar, kullanım alanlarını ciddi şekilde kısıtlıyordu. İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü (EPFL) araştırmacıları, fotonikten elektronik dünyasına uzanan yolda tarihi bir eşiği geride bıraktı. Bilim insanları, yirmi yılı aşkın süredir entegre fotoniğin "kutsal kasesi" olarak kabul edilen yüksek enerjili ultra hızlı lazer sistemini nihayet tek bir mikroçip üzerine sığdırmayı başardı. Üstelik bu minik cihaz, masaları kaplayan geleneksel sistemlerle tamamen aynı performansı sunuyor.

Femtosaniye Lazerlerin Çip Üzerindeki Evrimi

Fotonik çipler, tıpkı elektronik çiplerin elektrik akımını yönlendirmesi gibi, ışığı mikroskobik dalga kılavuzları aracılığıyla kontrol ediyor. Telekomünikasyon sektöründe veri aktarımını hızlandırmak için zaten uzun süredir kullanılan bu teknoloji, laboratuvar ölçeğindeki büyük optik bileşenleri küçültme konusunda kritik bir rol üstleniyor. EPFL bünyesindeki laboratuvarda Profesör Tobias J. Kippenberg liderliğinde yürütülen çalışmada, erbiyum katkılı silisyum nitrür çip üzerinde 1,05 nanojoul darbe enerjisi ve 147 femtosaniye kadar kısa darbe süreleri elde edildi. Bu değerler, fizik dünyasından gelişmeler takibini yapan uzmanlar için mikro düzeyde elde edilmiş inanılmaz bir güç yoğunluğu anlamına geliyor.

Bugüne kadar çip ölçeğindeki lazerlerin en büyük sorunu, ürettikleri enerjinin pratik uygulamalar için çok zayıf kalmasıydı. Işık darbesinin gücü arttıkça, çip üzerindeki mikroskobik kanallarda doğrusal olmayan olumsuz optik etkiler baş gösteriyor ve lazerin dengesini tamamen bozuyordu. Kippenberg ve ekibi, literatürde var olan ancak entegre fotonikte kimsenin şans tanımadığı eski bir tasarımı yeniden yorumlayarak bu kararsızlık problemini kökünden çözmeyi başardı.

Gözden Kaçan Mimari: Mamyshev Osilatörü

Mühendislerin bu büyük başarıyı yakalamak için kullandıkları yöntem, "Mamyshev osilatörü" olarak bilinen ve fiber optik sistemlerde geçmişi eskiye dayanan bir lazer mimarisine dayanıyor. Bu sistem, doğrusal olmayan bir dalga kılavuzunun her iki ucuna farklı dalga boylarını ileten iki adet optik filtre yerleştirilerek kurgulanıyor. Yoğun bir lazer darbesi dalga kılavuzundan geçerken, ışığın renk yelpazesi genişlemeye başlıyor. Genişleyen bu spektrumun bir kısmı her iki filtreden de başarıyla geçerek lazer döngüsünün içinde sürekli olarak dönmeye devam ediyor.

Düşük enerjili, yani zayıf olan ışık darbeleri ise bu genişlemeyi sağlayamadığı için filtreler tarafından engelleniyor ve sistemden tamamen temizleniyor. Böylece sadece en temiz, en güçlü ve en kararlı ultra hızlı ışık darbeleri çip içinde kalıyor. Bu mimarinin çip üreticileri için en büyük avantajı, erbiyum katkılı silisyum nitrür tabaka üzerinde üretilmesi son derece zor olan karmaşık ekstra bileşenlere ihtiyaç duymamasıdır. Tasarımın pürüzsüz doğası, üretimi hem basitleştiriyor hem de hata payını minimuma indiriyor.

Kibrit Çöpü Boyutunda Devasa Güç ve Gelecek Potansiyeli

Kağıt üzerinde 42 santimetre uzunluğa sahip olan bu lazer boşluğu, çipin üzerine özel geometrik katlama yöntemleriyle yerleştirildi. Sonuç olarak ortaya bir kibrit çöpünün başı kadar yer kaplayan, ancak kilovat seviyesinde anlık tepe gücüne ulaşabilen bir mühendislik harikası çıktı. Bilgisayar işlemcilerinin üretiminde kullanılan silikon plaka (wafer) teknolojisi sayesinde, tek bir plaka üzerinde aynı anda 1.000'den fazla lazer çipi üretmek mümkün hale geliyor. Bu seri üretim yeteneği, maliyetleri dramatik şekilde düşürürken ultra hızlı lazerlerin laboratuvar dışına çıkmasının da önünü açıyor.

Çip ölçeğindeki bu yeni teknoloji, çok yakında cebe sığabilecek kadar küçük tıbbi tanı cihazlarının geliştirilmesini sağlayabilir. Çevre kirliliğine yol açan gazların anında tespiti, malzemelerin içindeki gözle görülmeyen mikro çatlakların analizi ve çok daha hassas spektroskopi ölçümleri artık bu çiplerle yapılabilecek. Tüm bunların ötesinde, yeni nesil küresel navigasyon sistemlerinin ve yüksek hızlı veri ağlarının kalbini oluşturacak ultra kompakt optik atom saatleri, bu minik lazer çiplerinin üzerinde yükselecek.

Kaynak: sciencedaily.com After 20 years, scientists finally shrink a powerful laser onto a chip

BilimBox Yorumu: Fotonik dünyasında yirmi yıldır kırılamayan bir tabunun yıkılışına şahitlik ediyoruz. Mamyshev osilatörü gibi entegre fotonik camiasının "bununla uğraşmaya değmez" diyerek rafa kaldırdığı eski bir tasarımın, doğru malzeme ve doğru mühendislikle birleştiğinde nasıl bir devrim yaratabileceğini görmek büyüleyici. Bu keşif, bilimsel ilerlemede bazen en ileriye gitmek için geçmişteki teorilere yeni bir gözle bakmanın ne kadar kıymetli olduğunu kanıtlıyor. Masaları işgal eden devasa laboratuvar ekipmanlarının cep telefonu boyutundaki cihazlara entegre edilmesi, kuantum teknolojilerinden kişisel sağlık asistanlarına kadar çok geniş bir alanda ezberleri bozacaktır.