Selama beberapa dekade, laser ultracepat telah menjadi salah satu alat paling ampuh dalam optik modern. Denyutnya hanya bertahan beberapa ratus femtodetik, atau kuadriliun detik, memungkinkan teknologi mulai dari manufaktur presisi dan bedah mata hingga sisir frekuensi optik, inovasi pemenang Hadiah Nobel yang menggerakkan jam atom optik paling presisi di dunia.
Meskipun penting, laser ini sebagian besar tetap merupakan sistem besar dan mahal yang menempati seluruh meja optik.
Kini, para peneliti yang dipimpin oleh Profesor EPFL Tobias J. Kippenberg telah membuat terobosan yang dapat mengurangi skala teknologi secara signifikan. Tulislah Alamtim ini menghadirkan laser ultracepat terintegrasi pertama yang mampu menyamai kinerja laser femtosecond benchtop tradisional. Perangkat ini menghasilkan energi pulsa sebesar 1,05 nanojoule dan durasi pulsa sesingkat 147 femtodetik, semuanya dari chip fotonik.
Menghadirkan laser ultracepat ke chip fotonik
Chip fotonik memanipulasi cahaya menggunakan struktur mikroskopis yang disebut pandu gelombang yang diukir pada wafer. Dengan cara yang sama seperti chip elektronik mengarahkan sinyal listrik, chip fotonik memandu dan memproses cahaya.
Chip ini sudah banyak digunakan dalam telekomunikasi dan memungkinkan miniaturisasi banyak teknologi optik yang sebelumnya membutuhkan peralatan yang jauh lebih besar.
“Selama lebih dari dua puluh tahun, laser femtosecond berenergi tinggi dalam chip secara luas dianggap sebagai cawan suci fotonik terintegrasi,” kata Kippenberg. “Hasil kami menunjukkan bahwa hal ini tidak hanya mungkin, namun juga dapat dicapai dengan arsitektur yang sangat elegan yang telah diabaikan oleh komunitas fotonik terintegrasi.”
Desain laser yang diabaikan menyediakan
Untuk mencapai prestasi ini, para peneliti mengadopsi arsitektur laser yang dikenal sebagai osilator Mamyshev, sebuah desain yang relatif sedikit mendapat perhatian dalam fotonik terintegrasi.
Sistem ini menempatkan pandu gelombang nonlinier di antara dua filter optik, yang masing-masing mentransmisikan bagian spektrum cahaya berbeda. Ketika pulsa laser yang kuat melewati pandu gelombang, ia meluas ke rentang warna yang lebih luas. Sebagian dari pulsa yang diperbesar ini kemudian dapat melewati dua filter dan terus bersirkulasi di rongga laser.
Cahaya yang lebih lemah berperilaku berbeda. Gagal berkembang secara memadai, ia diblokir oleh filter dan dikeluarkan dari siklus.
“Desain ini sangat menarik karena tidak memerlukan komponen apa pun yang sulit dibuat pada chip silikon nitrida yang didoping erbium ini,” kata Zheru Qiu, salah satu penulis senior makalah ini.
Menurut Qiu, desainnya menawarkan keuntungan besar lainnya. Chip fotonik membatasi cahaya dalam pandu gelombang yang sangat kecil, menyebabkan cahaya berinteraksi secara kuat dengan dirinya sendiri. Dalam banyak arsitektur laser, efek nonlinier ini dapat mengganggu kestabilan pulsa laser. Osilator Mamyshev, bagaimanapun, kurang sensitif terhadap masalah ini, sehingga sangat cocok untuk perangkat fotonik terintegrasi.
Perangkat kecil, potensi besar
Rongga laser memiliki panjang 42 sentimeter, tetapi dapat dilipat menjadi sebuah chip yang kira-kira menempati luas permukaan kepala korek api. Hal ini membuatnya jauh lebih kecil dibandingkan laser ultracepat berbasis serat konvensional.
Karena chip fotonik dapat dibuat pada skala wafer menggunakan metode yang serupa dengan yang digunakan untuk chip komputer, lebih dari 1.000 rongga laser berpotensi diproduksi secara bersamaan. Keunggulan manufaktur ini secara signifikan dapat mengurangi biaya laser ultracepat sekaligus memperluas ketersediaannya untuk aplikasi penginderaan presisi, spektroskopi, dan pengukuran.
“Dengan kekuatan puncak dalam kisaran kilowatt, chip ini dapat menangani aplikasi berat yang telah lama bergantung pada laser laboratorium yang besar dan mahal,” kata Qiu.
Para peneliti percaya bahwa teknologi ini pada akhirnya dapat menghasilkan perangkat portabel dan terjangkau yang dapat mendeteksi polutan lingkungan, mengidentifikasi cacat tersembunyi pada material, dan melakukan diagnosa medis. Hal ini juga dapat membantu membuka jalan bagi jam atom optik kompak yang dapat memainkan peran penting dalam sistem komunikasi dan navigasi di masa depan.
Pekerjaan ini melibatkan para peneliti dari Institut Teknik Elektro dan Mikroteknik EPFL dan Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR).
