כולם בשביל אחד: מערך של לייזרים קטנים הפועלים כמקור אור בודד

חוקרים ישראליים וגרמנים פיתחו מערך המורכב מלייזרים ניצבים קטנים רבים אך פועל כמקור אור אחד, וכל זאת בנפח של גרגר חול. פריצת דרך זו של חוקרי הטכניון וחוקרי אוניברסיטת וירצבורג פורסמה לאחרונה במאמר משותף בכתב העת היוקרתי Science.

פרופ’-מחקר מוטי שגב

ויקסלים (VCSELs) הם התקני לייזר זעירים הממלאים תפקיד חיוני במגוון רחב של פיתוחים טכנולוגיים ובהם טלפונים סלולריים, חיישני רכב ורשתות של סיבים אופטיים לתעבורת נתונים. ממדיהם הזעירים, שהם כמובן בגדר יתרון עצום ביישומים אלה ואחרים, מציבים מגבלה על הספק האור הנפלט מהם. במילים אחרות, הם מייצרים קרינה מוגבלת מאוד בעוצמתה. במשך שנים מנסים מדענים להגביר הספק זה באמצעות חיבור של ויקסלים זעירים רבים ואילוצם לפעול כלייזר קוהרנטי בודד, אך עד כה לא הושגה הצלחה משמעותית בכך. מכאן חשיבותה של פריצת הדרך שהתפרסמה ב-Science: לייזר קוהרנטי המורכב מוויקסלים רבים. המפתח להישג זה טמון בסידור גאומטרי ייחודי של הוויקסלים על השבב הפוטוני; סידור זה, המאלץ את האור לנוע ולזרום במסלול ספציפי, מבוסס על פלטפורמה של מבודד טופולוגי פוטוני.

ממבודדים טופולוגיים ללייזרים טופולוגיים

מבודדים טופולוגיים הם חומרים קוונטיים מהפכניים המאופיינים בכך שעל פני השטח שלהם הם מוליכים חשמל, ויתר על כן, מוליכים אותו ללא אובדן אנרגיה, ואילו בתוכם הם מבודדים, כלומר אינם מוליכים חשמל כלל. קבוצת המחקר של פרופ’-מחקר מרדכי (מוטי) שגב מהפקולטות לפיזיקה ולהנדסת חשמל ומחשבים ע”ש ויטרבי בטכניון יישמה רעיונות חדשניים אלה בתחום הפוטוניקה כבר לפני כמה שנים כשהציגה את המבודד הטופולוגי הפוטוני הראשון. במערכת זו נע האור סביב שוליו של מערך דו-ממדי של מוליכי-גל, כאשר תנועה זו אינה מושפעת מנוכחות של פגמים או אי-סדר. מחקר זה פתח תחום מחקר חדש המכונה כיום “פוטוניקה טופולוגית” ומעסיק מאות קבוצות מחקר ברחבי העולם. בשנת 2018 פיתחה קבוצת המחקר של פרופ’-מחקר שגב דרך להשתמש בתכונות של מבודדים טופולוגיים פוטוניים כדי לגרום ללייזרים רבים להינעל יחד ולפעול באופן קוהרנטי כלייזר בודד. אך עדיין, גם במערכת זו הייתה מגבלת הספק: האור הבוקע מהלייזרים נפלט בתוך המישור של השבב הפוטוני, אשר הוא גם אותו מישור בו האור התקדם בין לייזר ללייזר. פליטת האור בתוך המישור הגבילה את היכולת להוציא את האור ממערך הלייזרים בצורה יעילה ויצרה צוואר בקבוק. פירושו של דבר שההתקן המוציא את האור החוצה מגביל מאוד את הספק המוצא, בדומה לשקע חשמל בודד המשמש תחנת כוח שלמה. פריצת הדרך הנוכחית מבוססת על שיטה אחרת: הלייזרים “ננעלים” באמצעות מעבר פוטונים בין הלייזרים בתוך מישור השבב הפוטוני, אבל האור נפלט כעת בניצב לשבב, בוקע מהמשטח, ולכן מאפשר לקבץ  את אלומת האור הכוללת בקלות.

הדוקטורנט אלכס דיקופולצב

פרויקט מחקר ישראלי-גרמני זה יצא לדרך בתקופת מגפת הקורונה ולכן הצריך מחויבות רבה במיוחד של כל החוקרים המעורבים. את המחקר ערכו הדוקטורנט אלכס דיקופולצב מקבוצת המחקר של פרופ’-מחקר שגב, בשיתוף פעולה עם הדוקטורנט ערן לוסטיג וד”ר קובי לומר מהטכניון, וע”י  הדוקטורנט טריסטן הארדר מקבוצת המחקר של פרופ’ סבסטיאן קלמבט ופרופ’ סוון הופלינג מאוניברסיטת וירצבורג בגרמניה בשיתוף עם חוקרים מוינה ומאולדנבורג.

הדרך הארוכה ללייזרים טופולוגיים חדשים

“מרתק לראות כיצד המדע מתפתח,” אמר פרופ‘-מחקר שגב, מחזיק הקתדרה ע“ש ד“ר בוב שילמן וחבר האקדמיה הלאומית הישראלית למדעים. “מעקרונות חדשניים בפיזיקה בסיסית עברנו לשינויים יסודיים בפיזיקה הטופולוגית וכעת יצרנו טכנולוגיה אמיתית אשר חברות מסחריות כבר מגלות בה עניין. בשנת 2015, כשהתחלנו לעבוד על לייזרים מבודדים טופולוגית, איש לא האמין שזה אפשרי מפני שהידע על פיזיקה טופולוגית באותו זמן היה מוגבל למערכות שאינן מכילות הֶגְבֵּר – ויותר מכך – אינן יכולות להכיל הגבר. אבל לייזרים מבוססים על הגבר, ולכן הרעיון של לייזרים מבודדים טופולוגיים עמד בניגוד לכל מה שהיה ידוע באותו הזמן. היינו כמו חבורה של “הזויים” המחפשת משהו שנחשב לבלתי אפשרי. לאחר דרך ארוכה – עשינו עכשיו צעד גדול לקראת טכנולוגיה אמיתית שיש לה יישומים רבים.”

קבוצות המחקר בישראל ובגרמניה השתמשו בעקרונות של פוטוניקה טופולוגית עבור מערך של ויקסלים הפולטים אור באופן אנכי, בניצב למישור השבב הפוטוני,  ואילו התהליך הטופולוגי האחראי לקוהרנטיות הגורם לויקסלים לפעול כלייזר יחיד מתרחש במישור  השבב. התוצאה הסופית היא לייזר עוצמתי אך קומפקטי ויעיל מאוד שאינו מוגבל על ידי מספר הויקסלים ומבלי שיופרע על ידי פגמים או שינויי טמפרטורה.

מימין לשמאל: ערן לוסטיג, אלכס דיקופולצב, פרופ’-מחקר מוטי שגב ויעקב (קובי) לומר

“העיקרון הטופולוגי של הלייזר הזה יכול לעבוד באופן כללי על כל אורכי הגל ולכן על מגוון של חומרים,” מסביר פרופ‘ סבסטיאן קלמבט מאוניברסיטת וירצבורג. “המספר של מיקרו-לייזרים אשר ניתן לחבר בצורה זו יהיה תמיד תלוי לחלוטין ביישום. אנו יכולים להרחיב את רשת הלייזרים לרשת גדולה מאוד, ובעיקרון היא תישאר קוהרנטית גם במספר גדול של לייזרים. נהדר לראות שטופולוגיה, שבמקור היא ענף של מתמטיקה, הפכה להיות ארגז כלים חדש ומהפכני לשליטה, הנחיה ושיפור תכונות של לייזר.”

המחקר פורץ הדרך הדגים כי מבחינה תיאורטית וניסויית אפשר לאחד ויקסלים כדי להשיג לייזר יעיל ביותר על שבב פוטוני. על כן, תוצאות המחקר סוללות את הדרך לפיתוחן של טכנולוגיות עתידיות בתחומים רבים ובהם סלולר, התקנים רפואיים, תקשורת ותחבורה.

המחקר נערך במכון למצב מוצק בשיתוף עם מרכז הקוונטום ע”ש הלן דילר ומכון ראסל ברי למחקר בננוטכנולוגיה (RBNI) בטכניון.

בוורוד: אלומת אור קוהרנטית אחת המיוצרת על ידי מערך של 30 מקורות לייזר נפרדים. קרדיט SimplySci Animations

למאמר המופיע ב-Science  לחצו כאן