Recent, echipa formată din Qiu-Shi Guo de la Universitatea City din New York și Alireza Marandi de la Institutul de Tehnologie din California a publicat un articol intitulat „Ultrafast mode-locked laser in nanophotonic lithium niobate” în revista Science. „Echipa a combinat inteligent câștigul ridicat al laserului semiconductorilor III-V cu proprietățile electro-optice excelente ale niobatului de litiu cu peliculă subțire și a fabricat un laser blocat în mod pompat electric, cu o putere maximă a impulsului prin integrarea hibridă, care are o repetiție. frecvență de 10 GHz aproape de 1065 nm, o lățime a impulsului optic de 4,8 ps, o energie a impulsului de peste 5 pJ și o putere de vârf de peste 0,5 pJ. pJ și un vârf putere mai mare de 0,5 W. Mai mult, energia de impuls de ieșire laser și puterea de vârf au atins cel mai înalt nivel de lasere blocate în mod sub platforma nanofotonică.
Materialul cristalin de niobat de litiu este un material cristalin artificial rar care combină efecte piezoelectrice, electro-optice, acusto-optice, fotoelastice, neliniare, fotorefractive și laser-active etc. Împreună cu avantajele proprietăților mecanice stabile, prelucrare ușoară, rezistență la temperaturi ridicate , rezistența la coroziune, surse abundente de materii prime, preț scăzut și ușor de crescut în cristale mari, mai ales după punerea în aplicare a diferiților dopanți pot arăta o varietate de proprietăți speciale, este cea mai cuprinzătoare și cuprinzătoare proprietăți fotonice care au fost descoperite până acum . Este cristalul cu cele mai multe proprietăți fotonice și cei mai buni indici cuprinzători descoperiți de oameni până acum și are o perspectivă foarte largă de aplicare pe piață. Prin urmare, este cunoscut și ca materialul „siliciu optic” în era fotonică și este utilizat pe scară largă în filtre de înaltă performanță, dispozitive electro-optice, stocare holografică, afișaje holografice 3D, dispozitive optice neliniare și comunicații cuantice optice.
Laserele blocate în mod sunt capabile să genereze impulsuri optice intense, coerente, ultrascurte pe scale de timp în picosecunde și femtosecunde și, astfel, pot realiza aplicații în domenii de ultimă oră, cum ar fi optică neliniară extremă, ceasuri atomice optice, piepteni de frecvență optică, bio-imagini, și calcul fotonic. Cu toate acestea, actualele lasere convenționale blocate în mod au dezavantajele prețului ridicat, consumului mare de energie și dimensiunilor mari, iar laserele blocate în mod bazate pe integrarea eterogene a semiconductorilor III-V cu platforme nanofotonice de niobat de litiu sunt de așteptat să atingă o putere de ieșire mai mare. și o tunabilitate mai mare, astfel încât tehnologiile aferente au atras o atenție extinsă din partea cercetătorilor.
Vizând blocajul tehnologic din domeniul laserelor cu modul blocat, echipa de cercetare a depășit limita de dimensiune a laserelor tradiționale blocate în mod prin integrarea unui mediu de câștig III-V și un modulator de fază cu niobat de litiu și a realizat lasere blocate în mod. cu performanțe excelente în timp ce micșorează dimensiunea la nivelul cipului.
Laserele blocate în mod pot fi împărțite în două mecanisme: blocarea modului pasiv și blocarea modului activ. După cum se arată în Figura (A) de mai jos, pentru a realiza blocarea modului activ al laserului, autorii au adăugat un modulator de fază electro-optică bazat pe niobat de litiu cu peliculă subțire în interiorul cavității rezonante laser; deoarece indicele de refracție al niobatului de litiu se modifică periodic sub efectul electro-optic, ceea ce duce la eșecul impulsurilor optice în menținerea unei stări de echilibru în interiorul cavității, echipa de cercetare a proiectat, de asemenea, o potrivire bună între perioada de timp de modulare a fazei și perioada rotundă. timpul de declanșare a impulsurilor optice în interiorul cavității și a utilizat compensarea dispersiei pentru a obține o potrivire bună cu perioada de timp de modulare a fazei. Prin urmare, cercetarea a fost concepută, de asemenea, pentru a obține o potrivire bună între perioada de timp de modulare a fazei și timpul de călătorie dus-întors al impulsului optic din cavitate și să utilizeze dispersia pentru a compensa ciripiul acumulat și pentru a compensa pierderea impulsului optic pe baza câștig laser și, în final, realizăm blocarea de fază, așa cum se arată în figurile următoare (BC); diagrama schematică a laserului pe cip cu niobat de litiu integrat integrat este prezentată în figura următoare (D).
Imagine
Principiul de funcționare și schema dispozitivului laserului integrat pe cip cu niobat de litiu blocat în mod.
Potrivit echipei de cercetare, cu puterea sa de vârf de ieșire mare și capacitatea de control precis al frecvenței, laserul blocat în mod este de așteptat să construiască un sistem optic neliniar ultrarapid cu integrare completă pe cip, realizând astfel piepteni de frecvență optică, surse de lumină supercontinuu și atomice. ceasuri cu blocare completă a frecvenței. Acest lucru va facilita foarte mult dezvoltarea comunicațiilor optice, imagistică medicală, măsurare de precizie, calcul și alte domenii. „Pe termen mai lung, laserul blocat cu modul pe cip poate avea aplicații de neînlocuit în domeniile comunicațiilor coerente, sincronizarea de precizie și măsurarea de precizie”.
Imagine.
Rezultatele analizei de reglare curente ale laserului integrat cu modul activ blocat
În plus, laserele convenționale cu stare solidă și cu fibre, bazate pe mecanisme active de blocare a modului, pot realiza blocarea modului doar într-un interval limitat de frecvențe de modulație externă, iar atunci când frecvența de modulație externă depășește intervalul relevant, ieșirea laserului optic. pulsul își va pierde relația de fază fixă (adică își pierde coerența). După cum se arată în figura de mai sus, în comparație cu laserele convenționale blocate în mod activ, laserul integrat cu niobat de litiu pe cip cu blocare în mod realizat în acest studiu are o gamă mare reglabilă de frecvență de repetare a impulsurilor și este capabil să genereze impulsuri optice coerente în Gama de frecvență de modulație de 200 MHz. În plus, frecvența purtătoare și frecvența de repetare a impulsului a laserului cu impulsuri pot fi modificate semnificativ prin ajustarea curentului pompei sau a frecvenței de modulare a laserului. Aceasta înseamnă că laserul blocat în mod poate fi manipulat într-o varietate de moduri. Prin feedback-ul precis controlând curentul pompei laser sau frecvența de modulare, frecvența de repetare a pulsului și frecvența purtătoare a laserului pot fi controlate cu precizie, realizând astfel un pieptene de frecvență optică care poate controla cu precizie frecvența, ceea ce este de mare importanță pentru aplicațiile cu frecvență precisă. măsurare.
Laserele convenționale cu blocare în modul semiconductor integrează de obicei regiunea de câștig și absorbantul saturabil (element blocat în mod) pe același cip semiconductor. Datorită dinamicii complexe de purtător a semiconductorului tribo-cinci, laserul poate obține generarea de impulsuri ultrascurte doar într-o regiune de funcționare a curentului pompei condusă foarte îngust, ceea ce nu este propice pentru realizarea unei ieșiri laser de mare putere. Cu toate acestea, acest studiu eliberează pe deplin capacitatea de ieșire de mare putere a semiconductorului tribo-cinci prin utilizarea niobatului de litiu cu peliculă subțire ca element activ de blocare a modului.
Pe baza proprietăților excelente ale niobatului de litiu cu peliculă subțire, echipa a obținut o serie de rezultate în domeniile niobatului de litiu cu peliculă subțire, optică integrată și optică neliniară. De exemplu, efectul optic neliniar de ordinul doi al nanofotonicii cu niobat de litiu cu peliculă subțire a fost utilizat pentru a demonstra cea mai rapidă (46 de femtosecunde), de energie ultra-scăzută (80 de femtocinetice) pe o platformă optică integrată până în prezent. Pe platforma de niobat de litiu cu peliculă subțire, am realizat, de asemenea, un amplificator optic parametric cu câștig foarte mare (100 dB/cm) și lățime de bandă cu câștig foarte mare (600 nm), o gamă largă de oscilator parametri optic reglabil la frecvență și cea mai mare compresie cuantică (4,9 dB) din domeniul opticii integrate până în prezent.
Ian S. Osborne, editor al Science, a lăudat cercetarea: „Laserele cu blocare în mod sunt o tehnologie de ultimă oră în știința ultrarapidă, care permite piepteni de frecvență cu impulsuri optice coerente ultrascurte și distanță precisă. Prin integrarea unui mediu de câștig III-V cu un modulatorului de fază cu niobat de litiu, am depășit constrângerile de dimensiune ale laserelor convenționale blocate în mod și am realizat un laser blocat în mod cu performanțe excelente în timp ce reducem dimensiunea la scara cipului. Rezultatele acestei cercetări sunt de așteptat să aibă aplicații practice în domeniul de ultimă oră. domenii precum măsurarea de precizie și spectroscopia.”
