EPFL araştırmacıları, aktif elektronik kontrol gerektirmeyen bir çip tabanlı lazer geliştirdi

İsviçre’nin Lausanne Teknik Yüksekokulu’nda (EPFL) çalışan araştırmacılar, çalışma aralığı boyunca çok kararlı bir optik frekansı koruyan ve bunun için aktif elektronik kontrole ihtiyaç duymayan bir çip tabanlı lazer geliştirdi. Cenevre’deki laboratuvarlarında ürettikleri bu yeni sistem, “sonsuz enjeksiyon kilitli” olarak adlandırdıkları yaklaşım sayesinde, çevre koşullarındaki değişimlere rağmen lazerin kilidini açmamasını sağladı. Araştırma, yüksek çözünürlüklü optik frekans kararlılığı gerektiren uygulamalarda kullanılabilecek kompakt ve taşınabilir lazerlerin kapısını aralıyor.

Lazerler; atom saatleri, kuantum sensörleri, fiber-optik izleme, koherent haberleşme ve mesölçüm gibi alanlarda gereken hassas ışığı sağlar. Bu teknolojiler, optik frekansı olağanüstü derecede kararlı olan lazerlere dayanır. En doğru sistemler genellikle hacimli laboratuvar lazerlerine dayandığı için, bunların kompakt ve taşınabilir cihazlarda kullanımı sınırlı kalıyor.

Lazerlerin frekans kararsızlığı sorunu

Semikonduktör lazerleri pratik bir alternatif sunar. Küçüktür, elektrik ile beslenir ve büyük ölçekte üretimi mümkündür. Ancak frekansları, hassas sistemlerde kullanılan fiber lazerlere göre çok daha fazla salınır. Araştırmacılar bu gürültüyü azaltmak için “kendi kendine enjeksiyon kilitleme” yöntemini kullanabilir. Bu yaklaşımda lazer ışığının bir kısmı yüksek kaliteli bir optik rezonatöre girip lazere geri döner. Oluşan optik geri besleme, lazer frekansını kararlılaştırır ve frekans kararlılığını gösteren bir ölçü olan çizgi genişliğini birkaç büyüklük derecesine kadar daraltabilir.

Sorun, lazerin bu durumda kararlı tutulmasıdır. Sistem genellikle çok belirli koşullarda—belirli bir elektrik akımı ve ışığın yol uzunluğu tarafından belirlenen dönen ışının hassas bir fazı—çalışır. Sıcaklık değişimleri veya üretimden kaynaklanan küçük sapmalar gibi ufak değişiklikler bu dengi kolayca bozabilir. Bu yüzden çoğu sistemde lazeri sürekli ayarlayıp kararlı tutmak için ek kontroller ve elektronik bileşenlere ihtiyaç duyulur.

Kararlı durumların örtüşmesi lazeri kilitli tutar

Tobias J. Kippenberg’in önderliğindeki EPFL ekibi, artık test edilen sürüm akımı aralığı boyunca kendi kendine enjeksiyon kilitli kalan fotonik entegre bir lazer ortaya koydu. Araştırmacılar bu yaklaşımı “sonsuz enjeksiyon kilitme” olarak adlandırdı.

Cihaz, ışığının bir kısmını geri besleyen küçük bir optik çip ile standart bir semikonduktör lazeri birleştirir. Araştırmacılar, çevre koşulları değişse lazerin kararlı kalmasını sağlamak için bu geri beslemeyi özenle tasarladı.

Araştırmacılar aynı zamanda kararlı çalışma bölgelerini örtüşecek şekilde üretti. Bu sayede sürüm akımı değiştikçe lazer, kilidini kaybetmeden kararlı durumlar arasında pürüzsüzce geçebiliyor.

Kararlı akım aralığında düşük gürültü

Araştırmacılar lazeri sürüm akımı 154 ile 300 miliamper arasında değiştirerek test etti. Ölçülen her akım değinde, kendi kendine enjeksiyon kilitleme, serbest çalışan lazerle karşılaştırıldığında frekans gürültüsünü 5.000’den fazla faktörle azalttı. İçsel çizgi genişliği ise 10 hertz’in altında kaldı.

Araştırmacılar fotonik çipe piezoelektrik aktüatörleri de entegre etti. Bu aktüatörler, voltaj uygulandığında stres-optik etkisi aracılığıyla rezonatörü ayarlıyor. Cihaz, sürüm akımı veya geri besleme fazının aktif olarak kontrol edilmesine gerek kalmadan, kilidini koruyarak 1,5 gigahertz’in üzerinde mod atlamasız frekans kaymaları üretebiliyor.

Bu tasarım; optik sensörler, lidar, koherent haberleşme, atom saatleri ve kuantum sensörleri gibi uygulamalarda kompakt ve ultradüşük gürültülü lazerlerin kullanımını kolaylaştırabilir. Çalışma ilkeyi bir laboratuvar cihazında kanıtlıyor. Laboratuvar dışındaki kullanımlar için ek mühendislik ve paketleme çalışmalarına ihtiyaç olacak.

Araştırmacılar, çevre koşulları değişse bile lazerin kilidini açmayan bu yeni yaklaşımı “sonsuz enjeksiyon kitleme” olarak adlandırdı ve sistemin kompakt lazerlerin kullanım alanlarını genişletebileceğini belirtti.

EPFL / Tobias J. Kippenberg ekibi

Araştırma, Nature Photonics dergisinde yayımlandı. Kaynak: Mikael Reichler ve arkadaşları, “Endlessly self-injection-locked photonic integrated lasers”, Nature Photonics (2026). DOI: 10.1038/s41566-026-01985-1.