Kleine microlaser kan doorbraak in chip-industrie brengen

Een groep Zwitserse onderzoekers zegt 's werelds kleinste laser tot nu toe te hebben gebouwd, zo beweren de ontwikkelaars. Dankzij de doorbraak zouden kleine lasers eenvoudiger in optische schakelingen kunnen worden gebruikt.

De elektrisch gepompte laser die de onderzoekers ontwikkelden is slechts 30 micrometer lang en 8 micrometer hoog. Het licht dat de kleine laser produceert, heeft een golflengte van 200µm: onderzoekers trachten de lasers op verschillende manieren kleiner dan de golflengte van het geproduceerde licht te maken. Een laser die elektrisch wordt gepompt én kleiner is dan de golflengte van zijn geproduceerde licht, werd echter nog niet gebouwd. De beperkende factor is de resonator: een ruimte waarin aangeslagen elektronen worden geproduceerd, die bij terugval naar hun lagere energiestaat een foton produceren en zo een coherente bundel licht genereren. Traditionele lasers gebruiken optische resonators, die licht heen en weer kaatsen door middel van spiegels. De lengte van die spiegels moet ten minste de helft van de lichtgolflengte zijn om het te kunnen weerkaatsen.

De Zwitserse onderzoekers hebben echter geen optische resonator gebruikt om voldoende aangeslagen elektronen te produceren; ze gebruiken daarvoor een elektrisch circuit of elektrische resonator. Dat circuit bestaat uit twee condensators en een inductor, en kan het licht eveneens laten resoneren. De resonator mag echter kleiner dan de geproduceerde golflengte zijn; de laser van de Quantum Optoelectronics Group van ETH Zürich kan arbitrair klein worden gemaakt. Op die manier kan hij in chips worden verwerkt en als optische transistor dienst doen. Het record van de onderzoekers van de Zwitserse TU geldt alleen voor lasers die elektrisch worden gepompt. Eerder slaagden wetenschappers er al in lasers te bouwen die hun laserwerking dankzij plasmonen verkregen.

Reacties (34)

elektrisch pompen ? wat houdt dat in dan ? Dit betekend natuurlijk wel een grote doorbraak voor de transistoren en processoren !! Terrahertz voor particulieren here we come!!

elektrisch pompen ? wat houdt dat in dan ?
Om laserwerking te krijgen heb je 'population inversion' nodig in je materiaal; dat betekent dat er meer atomen in aangeslagen toestand zijn dan in niet-aangeslagen toestand. Tijdens het laseren krijg je dan 'gain', dat wil zeggen dat een foton eerder een aangeslagen atoom raakt en daarmee een tweede foton losmaakt dan dat het opgenomen wordt door een niet-aangeslagen atoom.

Met 'pompen' wordt bedoeld het actieve materiaal in een toestand van population inversion te krijgen, en dat kan bijvoorbeeld met licht (optisch pompen) of met eletriciteit (elektrisch pompen).

Elektrisch pompen is een stuk makkelijk als het op een chip gemaakt moet worden

elektrisch pompen

is niet anders dan een fietspomp op een stopcontact.

Ik weet dat jouw uitleg wint op gebied van correctheid, maar mijne scoort duidelijk hoger op eenvoud.

Het principe is vrij simpel. Je hebt een atoomkern met daaromheen cirkelend de elektronen. Als je zo'n atoom exact de juiste hoeveelheid energie toedient (bv. een foton met de juiste golflengte) dan komen de elektronen in een andere baan te draaien, dat is de aangeslagen toestand. Als je een aangeslagen atoom nóg een keer de juiste hoeveelheid energie toedient gebeurt er wat anders. I.p.v. dat de elektronen naar een nog hogere energietoestand gaan vallen ze terug naar hun oorspronkelijke baan, de energie die ze eerder hebben opgenomen wordt daarbij weer uitgezonden als twee identieke fotonen. Het toevoegen van energie aan het lasermedium wordt pompen genoemd.

Om een werkende laser te krijgen moeten er meer atomen in de aangeslagen toestand zijn dan in de normale toestand. Een aangeslagen atoom wat terugvalt zendt twee fotonen uit, die elk weer een ander aangeslagen atoom raken, enz. Je krijgt dan een kettingreactie die het laserlicht versterkt. Zodra er meer atomen in de aangeslagen dan de normale toestand zijn heb je een populatie-inversie. Je moet dan natuurlijk wel blijven pompen om de terugvallende atomen zo snel mogelijk weer in aangeslagen toestand te krijgen. Je kunt pompen met licht zoals in dit voorbeeld maar je kunt ook met chemische reacties atomen in de aangeslagen toestand brengen of zoals in het artikel, met een elektrische stroom. Er zijn zelfs ontwerpen voor lasers die gepompt worden met een atoomexplosie maar die zijn minder geschikt voor gebruik in micro-elektronica...

Kleine toevoeging voor de algemene beeldvorming van een atoom:
De elektronen zoals velen het zien, als satellieten draaiend om een kern, is niet geheel correct.
De elektron beweegt zich voort in een veld om de kern van de atoom in de vorm van een golf.
Daarom spreken we van verschillend schillen van een atoom.

Licht beweegt zich voort als partikel en als golf.

/edit
Punctuatie

[Reactie gewijzigd door Tinker op 8 april 2010 17:16]

wikipedia is je vriend

Optica zal zeker een toepassing krijgen in chips (ik denk met name aan bussen), maar optica is per definitie 'groot' en 'lomp'. Elektrische componenten hebben afmetingen in de orde van enkele tientallen nanometers, maar bij optica ligt dit in de orde van micrometers en dit is een fysiek probleem (komt door de golflengte van light).

de spanning over de laser is hoger dan dat er normaal in een chip gebruikt word, omdat er "gepompt" word tot er een bepaalde stroom loopt, en voordat die stroom loopt, gaat de spanning daardoor omhoog. door het heen en weer "pompen" van spanning over condensatoren kan je dus een (hogere) spanning krijgen die bestuurd word door de stroom, ipv dat de stroom variabel is bij een vaste spanning.

Het licht dat de kleine laser produceert, heeft een golflengte van 200µm:

200 micrometer? Moet dat geen nanometer zijn? 200 micrometer = zwaar infrarood, en nu niet echt typisch het soort golflengte van een laser

was ik ook aan het denken, maar het kan niet anders want de laser zou anders niet kleiner zijn dan z'n golflengte.. tenzij alles van micro naar nano moet..

Als je kijkt naar het plaatje, dan zie je dat de kop ongeveer 10 micron is, dus zeer zeker kleiner dan de golflengte. Bij een golflengte van 200 nanometer zou de kop wel groter zijn dan de golflengte.
Daarbij komt ook dat 200 micron ook gewoon licht is alleen ver infrarood ipv optisch. Lasers komen in vele golflengtes. Laser staat nog steeds voor Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Laat light in dit geval voor elk soort electromagnetische straling staan.

Als het al zwaar infra rood is kan ken je nog moeilijk van een laser spreken.
eerder een Maser dan Laser = licht, Maser = microwave.

Als het al zwaar infra rood is kan ken je nog moeilijk van een laser spreken.
eerder een Maser dan Laser = licht, Maser = microwave.

Dat is maar net welke naam je het beestje geeft. Er zij immers ook ver UV en X-ray lasers (oa gebruikt in chip-bak machines), maar als je elk gebied van het spectrum zijn eigen "$(X)ASER" benaming gaat geven wordt het een beetje verwarrend.

Sinds 'lasing (to lase)' al een mooi werkwoord is in de Engelse taal, hou ik het gewoon bij RF-lasers, microgolf-lasers, zichtbaar-licht-lasers en X-ray lasers.

X-ray laser? Die worden volgens mij nergens commercieel toegepast. Er is in het verleden wel onderzoek naar gedaan, maar er komt nogal wat bij kijken.

Er zijn wel free electron lasers in het röntgenbereik, maar dan hebben we het over electronen.

Volgens mij bestaan er ook nog geen X-ray lasers, in ieder geval niet van enig vermogen. Het zou wel een uitkomst zijn voor de chip industrie.

Infrarood lasers zijn toch echt heel gewoon, ze zitten bijvoorbeeld in cd-spelers. http://nl.wikipedia.org/wiki/Infraroodlaser

hoe sterk zou die laser zijn?
ik gok op miliwatts

huidige lasers hebben vermogens van milliwatts, dit zit daar waarschijnlijk echt VER onder.

huidige lasers hebben vermogens van milliwatts, dit zit daar waarschijnlijk echt VER onder.

Tegenwoordig kun je laserdiodes krijgen in de orde van tientallen Watts hoor, bijvoorbeeld pompdiodes voor DPSS lasers.

Een beetje normale DVD-brander heeft ook een diode aan boord die 0,3W aan rood vermogen eruit gooit, en laser-TV's draaien ook op een paar W aan vemogen. Voor telecommunicatie (drijven van glasvezels) heb je trouwens niet veel meer dan een paar mW nodig.

Meer vermogen betekent wel dat je actieve oppervlak en je resonator groter moeten worden, omdat het laserproces een aardige hoeveelheid warmte produceert.

Deze gast gebruikt een 'slechts' 400 mW laser voor zn laserharp: http://www.youtube.com/wa...rom=TL&videos=ZxSoH1k3Mc4.

Je ziet dat dat al geen speelgoed meer is (met 200 mW steek je een lucifer aan).
Hij gebruikt wel een rookmachine om de stralen beter te kunnen zien.
Maar te lang op één plek op 't plafond en je hebt een brandvlek.

De uitleg van DPSS lasers is erg interessant: http://nl.wikipedia.org/wiki/DPSS-laser.
Kortom: er wordt een infrarode laser gebruikt die door een tweetal kristallen wordt geleidt om de golflengte (drastisch) te beïnvloeden, om zodoende een zichtbare laser te genereren.

Stoney3K: wat wordt 't vermogen van de laser die jij gebruikt?
[EiP]Codename: Rendez-Vous

[Reactie gewijzigd door ByteDelight op 8 april 2010 16:28]

[offtopic]Wel even naar mijn draadje linken, al kunnen ze er vanuit jouw thread ook wel komen.

Voor zover het bouwproces nu loopt ga ik een 380mW RGV ILDA-projector gebruiken en de stralen naar boven afbuigen. Zo'n beetje als het filmpje boven dus

Voordeel is dat ik me dan niet meer druk hoef te maken om het fabriceren van de projector, maar gewoon een ILDA-signaal naar een bestaande projector kan blazen en mijn stralenpatroon kan bouwen. En upgraden naar een groter systeem - ik heb nog een 3W Argon-Krypton systeem bij een vriend staan die ik nog een keer voor de harp wil misbruiken, dat is dezelfde laser als Jarre in Hong Kong gebruikt heeft!

Serieus, het had jouw draadje moeten zijn. Niet goed gekeken. Heb 't net gewijzigd.

200 micrometer voor een golflengte van licht lijkt me een beetje groot. Golflenges van 1200nm en groter worden vaak al niet meer als ligt beschouwd.

Electrisch pompen: Een laser zentd ligt uit omdat je electrnonen in een hoger energie niveau om de kern van een atoom brengt, waar ze collectief verzamelen om ze daar te krijgen voer je energie toe aan de groep atomen die het licht uit gaan zenden. Dat toevoeren van de energie noemen ze pompen.

Wat is dan infrarood? Lucht?

200 micrometer voor een golflengte van licht lijkt me een beetje groot. Golflenges van 1200nm en groter worden vaak al niet meer als ligt beschouwd.[/quote]

Ligt is geen zelfstandig naamwoord.

ipv eindeloos te speculeren welke golflengte licht er nu uitkomt, is de bron lezen natuurlijk DE manier. 't Concept van hyperlinking is echt een fantastisch idee! (kuch kuch).

Het originele persbericht van het ETH Zürich (waar Christoph Walther van de 'Gruppe für Quantenoptoelektronik' z'n onderzoek heeft gedaan ) meldde al op 19 maart dit:

Er ist 30 Mikrometer (das sind 30 Millionstel Meter) lang, acht Mikrometer hoch und hat eine Wellenlänge von 200 Mikrometern.

[Reactie gewijzigd door Hamish op 8 april 2010 15:23]

Zegt me allemaal niet heel veel maar ik vind het wel leuk dat men erbij vermeldt dat het gaat om een KLEINE microlaser

tjah, je kunt ook microlasers met elkaar vergelijken he..


Mooie ontwikkeling. Het is misschien niet zo dat het nu al rendabel en sneller zou zijn om over te stappen op optische circuits(de technologie is al bijna rond), het zal zeker wel de toekomst zijn, al is het simpelweg omdat elektronen op een gegeven moment de bottleneck qua snelheid zullen zijn.

[Reactie gewijzigd door Anoniem: 229719 op 8 april 2010 14:48]

Ik neem aan dat de golflengte 200nm bedraagt i.p.v. de genoemde 200um.

Zeker niet: hun claim to fame is dat de golflengte significant groter is dan de laser zelf, en die is 30 um.

dat is wel heel mooi, in de toekomst nog snellere moederborden door optisch verbindingen. kom maar op. bied mezelf aan als tester

Het is een LC resonantiekring in combinatie met een optische versterker. Het is dus eigenlijk een hele kleine antenne. Deze antenne resoneert op een frequentie van 1,5 THz, wat overeenkomt met een golflengte van 200µm. Dit valt nog net onder infrarood. Zie uitleg op onderstaande site.
http://www.astronomie.be/...wat_is_radioastonomie.htm
Wat wel heel belangrijk is, is dat dit een coherente bron is van elektromagnetische straling (of fotonen). Daarom is het een laser.