Недавно команда Цю-Ши Го из Городского университета Нью-Йорка и Алирезы Маранди из Калифорнийского технологического института опубликовала в журнале Science статью под названием «Сверхбыстрый лазер с синхронизацией мод в нанофотонном ниобате лития». «Команда умело объединила высокий коэффициент усиления лазера полупроводников III-V с превосходными электрооптическими свойствами тонкопленочного ниобата лития и изготовила лазер с синхронизацией мод с электрической накачкой и высокой пиковой мощностью импульса посредством гибридной интеграции, которая имеет повторяемость частота 10 ГГц в районе 1065 нм, длительность оптического импульса 4,8 пс, энергия импульса более 5 пДж, пиковая мощность более 0,5 пДж.пДж, пиковая мощность более 0,5 Вт. Более того, энергия выходного импульса и пиковая мощность лазера достигли самого высокого уровня среди лазеров с синхронизацией мод на платформе нанофотоники.
Кристаллический материал ниобата лития представляет собой редкий искусственный кристаллический материал, сочетающий в себе пьезоэлектрические, электрооптические, акустооптические, фотоупругие, нелинейные, фоторефрактивные и лазерно-активные эффекты и т. д. Вместе с преимуществами стабильных механических свойств, простоты обработки, устойчивости к высоким температурам , коррозионная стойкость, обильные источники сырья, низкая цена и легкость выращивания в крупные кристаллы, особенно после применения различных легирующих добавок, могут проявлять различные специальные свойства, это наиболее полные и всесторонние фотонные свойства, которые были обнаружены до сих пор. . Это кристалл с наибольшими фотонными свойствами и лучшими комплексными показателями, обнаруженными людьми на сегодняшний день, и имеющий очень широкую перспективу рыночного применения. Поэтому в фотонную эпоху он также известен как материал «оптический кремний» и широко используется в высокопроизводительных фильтрах, электрооптических устройствах, голографических накопителях, трехмерных голографических дисплеях, нелинейных оптических устройствах и оптической квантовой связи.
Лазеры с синхронизацией мод способны генерировать интенсивные, когерентные, сверхкороткие оптические импульсы в пикосекундном и фемтосекундном масштабе времени и, таким образом, могут реализовать приложения в таких передовых областях, как экстремальная нелинейная оптика, оптические атомные часы, гребенки оптических частот, биовизуализация, и фотонные вычисления. Однако современные традиционные лазеры с синхронизацией мод имеют такие недостатки, как высокая цена, высокое энергопотребление и большие размеры, а лазеры с синхронизацией мод, основанные на гетерогенной интеграции полупроводников III-V с нанофотонными платформами из ниобата лития, как ожидается, будут достигать более высокой выходной мощности. и более высокая настраиваемость, поэтому соответствующие технологии привлекли широкое внимание исследователей.
Стремясь устранить технологическое узкое место в области лазеров с синхронизацией мод, исследовательская группа преодолела ограничение по размеру традиционных лазеров с синхронизацией мод, объединив усиливающую среду III-V и фазовый модулятор из ниобата лития и реализовав лазеры с синхронизацией мод. с превосходной производительностью при уменьшении размера до уровня чипа.
Лазеры с синхронизацией мод можно разделить на два механизма: пассивную синхронизацию мод и активную синхронизацию мод. Как показано на рисунке (A) ниже, для реализации активной синхронизации мод лазера авторы добавили электрооптический фазовый модулятор на основе тонкопленочного ниобата лития внутри резонансного резонатора лазера; Поскольку показатель преломления ниобата лития периодически изменяется под действием электрооптического эффекта, что приводит к тому, что оптические импульсы не могут поддерживать устойчивое состояние внутри резонатора, исследовательская группа также разработала хорошее соответствие между периодом времени фазовой модуляции и круглым время срабатывания оптических импульсов внутри резонатора и использовало смещение дисперсии для достижения хорошего согласования с периодом времени фазовой модуляции. Таким образом, исследование также направлено на достижение хорошего соответствия между периодом времени фазовой модуляции и временем прохождения оптического импульса в резонаторе туда и обратно, а также использование дисперсии для компенсации накопленного чирпа и компенсацию потерь оптического импульса на основе усиление лазера и, наконец, реализация фазовой синхронизации, как показано на следующих рисунках (BC); Принципиальная схема реализованного встроенного лазера с синхронизацией мод на ниобате лития показана на следующем рисунке (D).
Картина
Принцип работы и схема устройства встроенного лазера с синхронизацией мод на ниобате лития.
По мнению исследовательской группы, благодаря высокой выходной пиковой мощности и возможности точного управления частотой лазер с синхронизацией мод, как ожидается, создаст сверхбыструю нелинейную оптическую систему с полной интеграцией на кристалле, реализуя, таким образом, гребенки оптических частот, источники суперконтинуального света и атомные технологии. часы с полной синхронизацией частоты. Это значительно облегчит развитие оптической связи, медицинской визуализации, точных измерений, вычислений и других областей. «В долгосрочной перспективе встроенный в кристалл лазер с синхронизацией мод может найти незаменимое применение в области когерентной связи, точного времени и прецизионных измерений».
Изображение.
Текущие результаты анализа настройки встроенного лазера с активной синхронизацией мод
Кроме того, традиционные твердотельные и волоконные лазеры с синхронизацией мод, основанные на механизмах активной синхронизации мод, могут обеспечить синхронизацию мод только в ограниченном диапазоне частот внешней модуляции, и когда частота внешней модуляции превышает соответствующий диапазон, выходной оптический сигнал лазера импульс потеряет фиксированное соотношение фаз (т. е. потеряет когерентность). Как показано на рисунке выше, по сравнению с обычными лазерами с активной синхронизацией мод, интегрированный на кристалле лазер с синхронизацией мод на ниобате лития, реализованный в этом исследовании, имеет большой настраиваемый диапазон частоты повторения импульсов и способен генерировать когерентные оптические импульсы в Частотный диапазон модуляции 200 МГц. Кроме того, несущую частоту и частоту повторения импульсов импульсного лазера можно существенно изменить, регулируя ток накачки или частоту модуляции лазера. Это означает, что лазером с синхронизацией мод можно манипулировать различными способами. Благодаря точной обратной связи, управляющей током накачки лазера или частотой модуляции, можно точно контролировать частоту повторения импульсов и несущую частоту лазера, таким образом реализуя гребенку оптических частот, которая может точно контролировать частоту, что имеет большое значение для приложений с точной частотой. измерение.
Обычные полупроводниковые лазеры с синхронизацией мод обычно объединяют область усиления и насыщающийся поглотитель (элемент синхронизации мод) на одном и том же полупроводниковом кристалле. Из-за сложной динамики носителей полупроводника трибо-пять лазер может генерировать ультракороткие импульсы только в очень узкой рабочей области тока накачки, что не способствует реализации мощного лазерного излучения. Тем не менее, это исследование полностью раскрывает возможности высокой выходной мощности полупроводника трибо-пять за счет использования тонкопленочного ниобата лития в качестве активного элемента синхронизации мод.
Основываясь на превосходных свойствах тонкопленочного ниобата лития, команда достигла ряда результатов в области тонкопленочного ниобата лития, интегральной оптики и нелинейной оптики. Например, нелинейный оптический эффект второго порядка тонкопленочной нанофотоники ниобата лития был использован для демонстрации самого быстрого (46 фемтосекунд) сверхнизкоэнергетического (80 фемтокинетического) полностью оптического переключения на интегрированной оптической платформе на сегодняшний день. На платформе тонкопленочного ниобата лития мы также реализовали оптический параметрический усилитель с очень высоким коэффициентом усиления (100 дБ/см) и очень широкой полосой усиления (600 нм), оптический параметрический генератор с широким диапазоном перестраиваемых частот и самое высокое на сегодняшний день квантовое сжатие (4,9 дБ) в области интегральной оптики.
Ян С. Осборн, редактор журнала Science, высоко оценил исследование: «Лазеры с синхронизацией мод — это передовая технология в сверхбыстрой науке, позволяющая осуществлять гребенку частот с ультракороткими когерентными оптическими импульсами и точным интервалом. Путем интеграции усиливающей среды III-V с Фазовый модулятор из ниобата лития, мы преодолели ограничения по размеру обычных лазеров с синхронизацией мод и создали лазер с синхронизацией мод с превосходными характеристиками при уменьшении размера до размера чипа. Ожидается, что результаты этого исследования найдут практическое применение в передовых такие области, как прецизионные измерения и спектроскопия».
