Qiu-Shi Guo New Yorkin kaupungin yliopistosta ja Alireza Marandi Kalifornian teknologiainstituutista julkaisivat äskettäin artikkelin "Ultrafast mode-locked laser in nanophotonic litiumniobate" Science-lehdessä. "Tiimi yhdisti taitavasti III-V-puolijohteiden suuren laservahvistuksen ohutkalvolitiumniobaatin erinomaisiin sähköoptisiin ominaisuuksiin ja valmisti sähköisesti pumpattavan tilalukitun laserin, jolla on korkea huippupulssiteho hybridiintegraation avulla, jossa on toistoa. taajuus 10 GHz lähellä 1065 nm, optinen pulssin leveys 4,8 ps, pulssienergia yli 5 pJ ja huipputeho yli 0,5 pJ. pJ ja huippu teho on suurempi kuin 0,5 W. Lisäksi sen laserpulssienergia ja huipputeho ovat saavuttaneet nanofotoniikan alustan alla olevien tilalukittujen lasereiden korkeimman tason.
Litiumniobaattikidemateriaali on harvinainen keinotekoinen kidemateriaali, jossa yhdistyvät pietsosähköiset, sähkö-optiset, akusto-optiset, fotoelastiset, epälineaariset, valotaitteiset ja laseraktiiviset efektit jne. Yhdessä vakaiden mekaanisten ominaisuuksien, helpon prosessoinnin, korkean lämpötilan kestävyyden etujen kanssa , korroosionkestävyys, runsaat raaka-ainelähteet, alhainen hinta ja helppo kasvattaa suuriksi kiteiksi, varsinkin sen jälkeen kun eri seostusaineiden käyttöönotossa voi olla erilaisia erikoisominaisuuksia, se on kattavin ja kattavin tähän mennessä havaittu fotoniikan ominaisuus . Se on kide, jolla on eniten fotonisia ominaisuuksia ja parhaat kattavat indeksit, jotka ihmiset ovat tähän mennessä löytäneet, ja sillä on erittäin laaja markkinasovellusnäkymä. Siksi se tunnetaan myös "optisena pii"-materiaalina fotonisella aikakaudella, ja sitä käytetään laajalti korkean suorituskyvyn suodattimissa, sähköoptisissa laitteissa, holografisessa tallennustilassa, 3D-holografisissa näytöissä, epälineaarisissa optisissa laitteissa ja optisessa kvanttiviestinnässä.
Tilalukitut laserit pystyvät tuottamaan intensiivisiä, koherentteja, ultralyhyitä optisia pulsseja piko- ja femtosekunnin aika-asteikoilla ja voivat siten toteuttaa sovelluksia huippuluokan aloilla, kuten äärimmäisen epälineaarisen optiikan, optisten atomikellojen, optisten taajuuksien kammat, biokuvantamisen, ja fotoninen laskenta. Nykyisten tavanomaisten tilalukittujen lasereiden haittapuolena on kuitenkin korkea hinta, korkea virrankulutus ja suuri koko, ja tilalukittujen lasereiden, jotka perustuvat III-V-puolijohteiden heterogeeniseen integrointiin litiumniobaattinanofotonisten alustojen kanssa, odotetaan saavuttavan suuremman lähtötehon. ja parempi viritettävyys, joten niihin liittyvät teknologiat ovat herättäneet laajaa tutkijoiden huomiota.
Moodilukittujen lasereiden teknologiseen pullonkaulan tähtäävä tutkimusryhmä on murtanut perinteisten tilalukittujen lasereiden kokorajoituksen integroimalla III-V-vahvistusväliaineen ja litiumniobaattifaasimodulaattorin ja toteuttanut tilalukittuja lasereita. erinomaisella suorituskyvyllä kutistaen kokoa lastutasolle.
Mode-lukitut laserit voidaan jakaa kahteen mekanismiin: passiivinen tilan lukitus ja aktiivinen tilan lukitus. Kuten alla olevassa kuvassa (A) esitetään, laserin aktiivisen tilan lukituksen toteuttamiseksi kirjoittajat lisäsivät laserresonanssionteloon ohutkalvolitiumniobaattiin perustuvan sähköoptisen vaihemodulaattorin; koska litiumniobaatin taitekerroin muuttuu ajoittain sähköoptisen vaikutuksen alaisena, mikä johtaa siihen, että optiset pulssit eivät pysty ylläpitämään vakaata tilaa ontelon sisällä, tutkimusryhmä suunnitteli myös hyvän yhteensovituksen vaihemodulaation ajanjakson ja pyöreän- optisten pulssien laukaisuaika ontelon sisällä ja dispersion offsettiä hyödynnettiin hyvän sovituksen saavuttamiseksi vaihemodulaation aikajakson kanssa. Siksi tutkimuksen tarkoituksena oli myös saavuttaa hyvä yhteensopivuus vaihemodulaatioajan ja optisen pulssin paluuajan välillä ontelossa, ja käyttää dispersiota kumoamaan kertynyttä sirkutusta ja kompensoimaan optista pulssihäviötä. laservahvistus ja lopuksi toteuttaa vaihelukitus, kuten seuraavissa kuvissa (BC) esitetään; Toteutetun integroidun litiumniobaattimoodilukitun sirulaserin kaavio on esitetty seuraavassa kuvassa (D).
Kuva
Integroidun litiumniobaattimoodilukitun sirulaserin toimintaperiaate ja laitekaavio.
Tutkimusryhmän mukaan moodilukitun laserin odotetaan rakentavan suurella huipputehollaan ja tarkalla taajuuden säätökyvyllään ultranopean epälineaarisen optisen järjestelmän, jossa on täysi integrointi sirulle, mikä mahdollistaa optisten taajuuksien kammat, superjatkuvuusvalonlähteet ja atomienergian. kellot täydellä taajuudella lukituksella. Tämä helpottaa suuresti optisen viestinnän, lääketieteellisen kuvantamisen, tarkkuusmittauksen, tietojenkäsittelyn ja muiden alojen kehitystä. "Pidemmällä aikavälillä sirulla lukitulla laserilla voi olla korvaamattomia sovelluksia koherentin viestinnän, tarkkuuden ajoituksen ja tarkkuuden mittauksen aloilla."
Kuva.
Integroidun aktiivilukitun laserin viritysanalyysin tulokset
Lisäksi tavanomaiset puolijohde- ja kuitumoodilukitut laserit, jotka perustuvat aktiivisiin tilanlukitusmekanismeihin, voivat saavuttaa tilalukituksen vain rajoitetulla ulkoisten modulaatiotaajuuksien alueella, ja kun ulkoinen modulaatiotaajuus ylittää asianmukaisen alueen, laserlähtö optinen pulssi menettää kiinteän vaiheen suhteen (eli menettää koherenssinsa). Kuten yllä olevasta kuvasta näkyy, tässä tutkimuksessa toteutetulla integroidulla litiumniobaatti-sirun tilalukitulla laserilla on suuri viritettävä pulssin toistotaajuuden alue ja se pystyy tuottamaan koherentteja optisia pulsseja. 200 MHz modulaatiotaajuusalue. Lisäksi pulssilaserin kantoaaltotaajuutta ja pulssin toistotaajuutta voidaan muuttaa merkittävästi säätämällä laserin pumppuvirtaa tai modulaatiotaajuutta. Tämä tarkoittaa, että tilalukittua laseria voidaan käsitellä monin eri tavoin. Ohjaamalla tarkasti laserin pumpun virtaa tai modulaatiotaajuutta voidaan laserin pulssin toistotaajuutta ja kantoaaltotaajuutta ohjata tarkasti, jolloin saadaan aikaan optinen taajuuskampa, joka voi ohjata taajuutta tarkasti, millä on suuri merkitys tarkan taajuuden sovelluksissa. mittaus.
Perinteiset puolijohdelukitut laserit tyypillisesti integroivat vahvistusalueen ja kyllästyvän absorboijan (tilalukittu elementti) samaan puolijohdesiruun. Tribo-viiden puolijohteen monimutkaisen kantoaaltodynamiikan vuoksi laserilla voidaan saavuttaa vain ultralyhyt pulssituotanto erittäin kapeasti ohjatulla pumpun virran toiminta-alueella, mikä ei edistä suuren tehon lasertulon toteutumista. Tämä tutkimus kuitenkin vapauttaa täysin tribo-viiden puolijohteen korkean tehon tuottokyvyn käyttämällä ohutkalvolitiumniobaattia aktiivisena tilan lukituselementtinä.
Ohutkalvolitiumniobaatin erinomaisiin ominaisuuksiin perustuen tiimi on saavuttanut sarjan tuloksia ohutkalvolitiumniobaatin, integroidun optiikan ja epälineaarisen optiikan aloilla. Esimerkiksi ohutkalvon litiumniobaattinanofotoniikan toisen asteen epälineaarista optista vaikutusta käytettiin osoittamaan tähän mennessä nopein (46 femtosekuntia), erittäin matalaenergiainen (80 femtokineettinen) täysin optinen kytkentä integroidulla optisella alustalla. Ohutkalvon litiumniobaattialustalle olemme toteuttaneet myös optisen parametrisen vahvistimen, jolla on erittäin suuri vahvistus (100 dB/cm) ja erittäin suuri vahvistuskaistanleveys (600 nm), laaja valikoima taajuusviritettävää optista parametrista oskillaattoria ja korkein kvanttipakkaus (4,9 dB) integroidun optiikan alalla tähän mennessä.
Ian S. Osborne, Science-lehden toimittaja, kehui tutkimusta: "Tilalukitut laserit ovat huippunopeassa tieteen huipputeknologiaa, joka mahdollistaa taajuuskammat ultralyhyillä koherenteilla optisilla pulsseilla ja tarkalla etäisyydellä. Integroimalla III-V-vahvistusväliaineen Litiumniobaattifaasimodulaattori, olemme rikkoneet tavanomaisten tilalukittujen lasereiden kokorajoitukset ja toteuttaneet tilalukitun laserin, jonka suorituskyky on erinomainen pienentäen samalla kokoa sirumittakaavaan. Tämän tutkimuksen tuloksilla odotetaan olevan käytännön sovelluksia huippuluokan sovelluksissa aloilla, kuten tarkkuusmittaus ja spektroskopia."
