Nedavno je tim Qiu-Shi Guoa sa Gradskog univerziteta u New Yorku i Alireza Marandi sa Kalifornijskog instituta za tehnologiju objavio članak pod naslovom "Ultrabrzi laser sa zaključavanjem moda u nanofotonskom litijum niobatu" u časopisu Science. „Tim je pametno kombinovao visoko lasersko pojačanje III-V poluprovodnika sa odličnim elektro-optičkim svojstvima tankoslojnog litijum niobata i proizveo laser sa zaključavanjem moda sa električnim pumpanjem sa visokom maksimalnom snagom impulsa kroz hibridnu integraciju, koja ima ponavljanje frekvencija od 10 GHz blizu 1065 nm, širina optičkog impulsa od 4,8 ps, energija impulsa veća od 5 pJ, i vršna snaga veća od 0,5 pJ. pJ, i vršna snaga veća od 0,5 W. Štaviše, njegova izlazna energija impulsa lasera i vršna snaga su dostigli najviši nivo lasera sa zaključanim modom pod nanofotoničkom platformom.
Kristalni materijal litij niobata je rijedak umjetni kristalni materijal koji kombinuje piezoelektrične, elektro-optičke, akusto-optičke, fotoelastične, nelinearne, fotorefraktivne i lasersko aktivne efekte, itd. Zajedno sa prednostima stabilnih mehaničkih svojstava, lake obrade, otpornosti na visoke temperature , otpornost na koroziju, obilni izvori sirovina, niska cijena, te lako prerastanje u velike kristale, posebno nakon primjene različitih dopanata može pokazati niz posebnih svojstava, to je najsveobuhvatnija i najsveobuhvatnija fotonička svojstva koja su do sada otkrivena . To je kristal s najviše fotoničkih svojstava i najboljim sveobuhvatnim indeksima koje su ljudi do sada otkrili, i ima vrlo široku perspektivu primjene na tržištu. Stoga je poznat i kao "optički silicijum" materijal u fotoničkoj eri i široko se koristi u filterima visokih performansi, elektro-optičkim uređajima, holografskim pohranama, 3D holografskim displejima, nelinearnim optičkim uređajima i optičkoj kvantnoj komunikaciji.
Laseri sa zaključavanjem moda su sposobni da generišu intenzivne, koherentne, ultrakratke optičke impulse na vremenskim skalama pikosekunde i femtosekunde, i na taj način mogu da realizuju aplikacije u najsavremenijim oblastima kao što su ekstremna nelinearna optika, optički atomski satovi, optički frekventni češljevi, bio-imaging, i fotoničko računarstvo. Međutim, trenutni konvencionalni laseri sa zaključavanjem moda imaju nedostatke visoke cijene, velike potrošnje energije i velike veličine, a očekuje se da će laseri s zaključavanjem moda zasnovani na heterogenoj integraciji III-V poluprovodnika s nanofotonskim platformama litij niobata postići veću izlaznu snagu. i veću prilagodljivost, tako da su srodne tehnologije privukle veliku pažnju istraživača.
Ciljajući na tehnološko usko grlo u polju lasera sa zaključavanjem moda, istraživački tim je probio ograničenje veličine tradicionalnih lasera sa zaključavanjem moda integracijom medija za pojačanje III-V i faznog modulatora litij niobata i realiziranih lasera sa zaključavanjem moda. sa odličnim performansama uz smanjenje veličine na nivo čipa.
Laseri sa zaključavanjem moda mogu se podijeliti na dva mehanizma: pasivno zaključavanje moda i aktivno zaključavanje moda. Kao što je prikazano na slici (A) ispod, da bi realizovali aktivno zaključavanje moda lasera, autori su dodali elektro-optički fazni modulator baziran na tankom filmu litijum niobata unutar laserske rezonantne šupljine; budući da se indeks loma litij niobata periodično mijenja pod elektro-optičkim efektom, što rezultira da optički impulsi ne uspijevaju održati stabilno stanje unutar šupljine, istraživački tim je također dizajnirao dobro podudaranje između vremenskog perioda fazne modulacije i kružnog vrijeme prolaska optičkih impulsa unutar šupljine i korišćeno disperziono odstupanje da bi se postiglo dobro podudaranje sa vremenskim periodom fazne modulacije. Stoga, istraživanje je također osmišljeno tako da postigne dobro podudaranje između vremenskog perioda fazne modulacije i vremena povratnog puta optičkog impulsa u šupljini, te koristi disperziju za kompenzaciju akumuliranog cirpa i kompenzaciju gubitka optičkog impulsa na osnovu lasersko pojačanje, i konačno realizovati fazno zaključavanje, kao što je prikazano na sledećim slikama (BC); Šematski dijagram realizovanog integrisanog litijum-niobatnog lasera na čipu sa blokadom moda prikazan je na sledećoj slici (D).
Slika
Princip rada i šema uređaja integrisanog lasera na čipu sa zaključavanjem moda litijum niobata.
Prema istraživačkom timu, sa svojom visokom izlaznom vršnom snagom i mogućnošću preciznog upravljanja frekvencijom, očekuje se da će laser sa zaključavanjem moda izgraditi ultrabrzi nelinearni optički sistem sa potpunom integracijom na čipu, čime se realizuju optički frekvencijski češljevi, superkontinualni izvori svjetlosti i atomski satovi sa zaključavanjem pune frekvencije. Ovo će uvelike olakšati razvoj optičkih komunikacija, medicinskog snimanja, preciznog mjerenja, računarstva i drugih područja. "Dugoročno gledano, laser sa zaključavanjem moda na čipu može imati nezamjenjivu primjenu u oblastima koherentne komunikacije, preciznog mjerenja vremena i preciznog mjerenja."
Slika.
Trenutni rezultati analize podešavanja integrisanog lasera sa aktivnim zaključavanjem moda
Osim toga, konvencionalni laseri sa poluprovodničkim i optičkim zaključavanjem moda zasnovani na aktivnim mehanizmima za zaključavanje moda mogu postići zaključavanje moda samo unutar ograničenog raspona vanjskih frekvencija modulacije, a kada frekvencija vanjske modulacije premaši relevantni raspon, optički izlaz lasera puls će izgubiti svoj fiksni fazni odnos (tj. izgubiće koherenciju). Kao što je prikazano na gornjoj slici, u poređenju sa konvencionalnim aktivnim laserima sa zaključavanjem moda, integrisani litijum niobatni laser sa zaključavanjem moda na čipu realizovan u ovoj studiji ima veliki podesivi opseg frekvencije ponavljanja impulsa i sposoban je da generiše koherentne optičke impulse u 200 MHz frekvencijski opseg modulacije. Osim toga, frekvencija nosioca i frekvencija ponavljanja impulsa impulsnog lasera mogu se značajno promijeniti podešavanjem struje pumpe ili frekvencije modulacije lasera. To znači da se laserom s zaključavanjem moda može manipulirati na različite načine. Preciznom povratnom spregom kojom se kontroliše struja laserske pumpe ili frekvencija modulacije, frekvencija ponavljanja impulsa i frekvencija nosioca lasera mogu se precizno kontrolisati, čime se ostvaruje optički frekventni češalj koji može precizno kontrolirati frekvenciju, što je od velikog značaja za primjene u preciznoj frekvenciji. mjerenje.
Konvencionalni poluprovodnički laseri sa zaključavanjem moda tipično integrišu područje pojačanja i apsorber koji se može zasićiti (element sa zaključanim modom) na istom poluprovodničkom čipu. Zbog složene dinamike nosioca tribo-pet poluprovodnika, laser može postići samo ultrakratko generiranje impulsa u vrlo usko vođenom radnom području struje pumpe, što nije pogodno za realizaciju laserskog izlaza velike snage. Međutim, ova studija u potpunosti oslobađa sposobnost velike izlazne snage tribo-five poluvodiča korištenjem tankog filma litijum niobata kao aktivnog elementa za zaključavanje moda.
Na osnovu odličnih svojstava tankoslojnog litijum niobata, tim je postigao niz rezultata u oblastima tankoslojnog litijum niobata, integrisane optike i nelinearne optike. Na primjer, nelinearni optički efekat drugog reda tankoslojne nanofotonike litijum niobata korišten je za demonstraciju najbržeg (46 femtosekundi), ultra niske energije (80 femtokinetičkih) potpuno optičkog prebacivanja na integriranoj optičkoj platformi do sada. Na tankoslojnoj platformi litijum niobata, takođe smo realizovali optičko parametarsko pojačalo sa veoma visokim pojačanjem (100 dB/cm) i veoma velikim opsegom pojačanja (600 nm), širokim opsegom optičkog parametarskog oscilatora podesivog frekvencije i najveća kvantna kompresija (4,9 dB) u oblasti integrisane optike do sada.
Ian S. Osborne, urednik časopisa Science, pohvalio je istraživanje: "Laseri sa zaključavanjem moda su vrhunska tehnologija u ultrabrzoj nauci, omogućavajući frekventne češljeve sa ultra kratkim koherentnim optičkim impulsima i preciznim razmakom. Integracijom medija za pojačavanje III-V sa litijum niobatni fazni modulator, probili smo ograničenja veličine konvencionalnih lasera sa zaključavanjem moda i realizovali laser sa zaključavanjem moda sa odličnim performansama uz smanjenje veličine na skalu čipa. Očekuje se da će rezultati ovog istraživanja imati praktične primene u najsavremenijim polja kao što su precizno mjerenje i spektroskopija."
