Szwajcarski niebieski laser do komunikacji podwodnej i detekcji zanieczyszczeń

Niebieskie światło, dzięki swoim właściwościom, jest szczególnie interesujące w kontekście systemów komunikacji optycznej i technologii pomiarowych. W wodzie ulega znacznie mniejszemu tłumieniu niż promieniowanie podczerwone, powszechnie wykorzystywane w światłowodowych systemach transmisji danych. Jednocześnie silniej rozprasza się na drobnych cząstkach zawieszonych w powietrzu, dzięki czemu może służyć do ich wykrywania. Wykorzystanie tych właściwości wymaga jednak precyzyjnego kontrolowania częstotliwości emitowanego światła. Dotychczasowe rozwiązania często opierały się na stosunkowo dużych układach optycznych, których miniaturyzacja stanowiła istotne wyzwanie technologiczne.

EPFL w opublikowanym komunikacie poinformowała, że zespół kierowany przez Tobiasa J. Kippenberga i Simone Bianconiego opracował kompaktowy laser zintegrowany z układem fotonicznym, który pozwala przezwyciężyć część tych ograniczeń.

Precyzyjna kontrola światła w miniaturowym układzie

Podstawę opracowanego rozwiązania stanowi połączenie diody laserowej wykonanej z materiałów na bazie azotku galu (GaN) z fotonicznym układem zawierającym mikroskopijny rezonator pierścieniowy. Rezonator wybiera określoną częstotliwość światła i kieruje część promieniowania z powrotem do lasera, stabilizując jego pracę. Aby ograniczyć straty optyczne, naukowcy zastosowali falowody wykonane z azotku krzemu (Si₃N₄) o grubości zaledwie 25 nanometrów. Cienkie struktury pozwalają zminimalizować rozpraszanie światła, które przy krótszych długościach fal stanowi szczególnie duży problem.

Opracowany układ wyposażono dodatkowo w elementy piezoelektryczne z azotku glinu (AlN). Materiał ten odkształca się pod wpływem napięcia elektrycznego, co umożliwia zmianę właściwości optycznych rezonatora, a tym samym szybkie dostrajanie częstotliwości lasera.

Urządzenie emituje światło o długości fali około 461 nm. W jednej z konfiguracji uzyskano szerokość linii widmowej poniżej 30 kHz, świadczącą o bardzo wysokiej stabilności częstotliwości. W innej konfiguracji możliwe było przestrajanie częstotliwości w zakresie przekraczającym 900 MHz, przy częstotliwości powtarzania zmian sięgającej miliona razy na sekundę.

Wyniki te potwierdzają możliwość połączenia stabilnej emisji światła z szybką regulacją częstotliwości w kompaktowym układzie fotonicznym.

Transmisja danych przez wodę i wykrywanie dymu

Badacze przetestowali również dwa potencjalne zastosowania nowej technologii. Pierwszy eksperyment dotyczył komunikacji podwodnej. Naukowcy zakodowali cyfrowy obraz logo EPFL poprzez odpowiednie zmiany częstotliwości światła, a następnie przesłali sygnał przez 30-centymetrową warstwę wody. Układ odbiorczy prawidłowo odtworzył obraz, potwierdzając możliwość wykorzystania urządzenia do optycznej transmisji informacji.

W drugim eksperymencie naukowcy sprawdzili możliwość wykorzystania lasera do wykrywania drobnych cząstek unoszących się w powietrzu. Podczas testów laboratoryjnych urządzenie zarejestrowało obecność dymu ze świecy, który powodował wyraźne zmiany sygnału pomiarowego. Dla porównania przeprowadzono analogiczne badanie z użyciem lasera podczerwonego o długości fali 1550 nm. W tym przypadku nie zaobserwowano mierzalnych zmian sygnału.

Potencjał dla fotoniki i technologii kwantowych

Zdaniem badaczy opracowane rozwiązanie może stanowić podstawę przyszłych systemów komunikacji podwodnej i miniaturowych czujników wykorzystywanych do monitorowania jakości powietrza. Precyzyjnie kontrolowane lasery emitujące niebieskie światło mają również znaczenie dla technologii kwantowych, w tym zegarów atomowych i komputerów kwantowych, w których stabilność częstotliwości promieniowania odgrywa bardzo istotną rolę.

W badaniach uczestniczyli również naukowcy z Aarhus University. Projekt otrzymał wsparcie finansowe z europejskiego programu Horyzont Europa, Szwajcarskiej Narodowej Fundacji Nauki i amerykańskiego Army Research Laboratory.

Technologia została zweryfikowana w warunkach laboratoryjnych. Jej praktyczne wykorzystanie w komunikacji podwodnej będzie wymagało dalszych testów, między innymi przy większych odległościach transmisji i w wodzie o zróżnicowanych właściwościach optycznych.