Наскоро екипът на Qiu-Shi Guo от Градския университет в Ню Йорк и Алиреза Маранди от Калифорнийския технологичен институт публикуваха статия, озаглавена „Свръхбърз лазер със заключен режим в нанофотонен литиев ниобат“ в списание Science. „Екипът умело комбинира високото лазерно усилване на III-V полупроводници с отличните електро-оптични свойства на тънкослойния литиев ниобат и изработи електрически изпомпван лазер със заключен режим с висока пикова импулсна мощност чрез хибридна интеграция, която има повторение честота от 10 GHz близо до 1065 nm, ширина на оптичния импулс от 4,8 ps, импулсна енергия от повече от 5 pJ и пикова мощност от повече от 0,5 pJ. pJ и пик мощност, по-голяма от 0,5 W. Нещо повече, неговата импулсна енергия на лазерния изход и пикова мощност са достигнали най-високото ниво на лазерите със заключен режим под платформата на нанофотоника.
Кристалният материал от литиев ниобат е рядък изкуствен кристален материал, който съчетава пиезоелектрически, електрооптични, акустооптични, фотоеластични, нелинейни, фоторефрактивни и лазерно активни ефекти и др. Заедно с предимствата на стабилни механични свойства, лесна обработка, устойчивост на висока температура , устойчивост на корозия, изобилие от източници на суровини, ниска цена и лесен за отглеждане в големи кристали, особено след прилагането на различни добавки могат да покажат различни специални свойства, това са най-изчерпателните и всеобхватни фотонни свойства, които са били открити досега . Това е кристалът с най-фотонни свойства и най-добрите изчерпателни индекси, открити от хора досега, и има много широка перспектива за пазарно приложение. Поради това той е известен още като материал "оптичен силиций" във фотонната ера и се използва широко във високоефективни филтри, електрооптични устройства, холографско съхранение, 3D холографски дисплеи, нелинейни оптични устройства и оптична квантова комуникация.
Лазерите със заключен режим са способни да генерират интензивни, кохерентни, ултракъси оптични импулси в пикосекундни и фемтосекундни времеви мащаби и по този начин могат да реализират приложения в такива авангардни области като екстремна нелинейна оптика, оптични атомни часовници, оптични честотни гребени, биоизображения, и фотонни изчисления. Въпреки това, настоящите конвенционални лазери със заключен режим имат недостатъците на висока цена, висока консумация на енергия и големи размери, а лазерите със заключен режим, базирани на хетерогенна интеграция на III-V полупроводници с нанофотонни платформи от литиев ниобат, се очаква да постигнат по-висока изходна мощност и по-висока регулируемост, така че свързаните технологии са привлекли голямо внимание от изследователите.
Насочвайки се към технологичното тясно място в областта на лазерите със заключен режим, изследователският екип надхвърли ограничението на размера на традиционните лазери със заключен режим чрез интегриране на среда за усилване III-V и фазов модулатор на литиев ниобат и реализира лазери със заключен режим с отлична производителност, като същевременно намалява размера до нивото на чипа.
Лазерите със заключен режим могат да бъдат разделени на два механизма: пасивно заключване на режима и активно заключване на режима. Както е показано на фигура (A) по-долу, за реализиране на активно заключване на режима на лазера, авторите добавиха електрооптичен фазов модулатор на базата на тънкослоен литиев ниобат вътре в лазерната резонансна кухина; тъй като индексът на пречупване на литиевия ниобат се променя периодично под електрооптичния ефект, което води до невъзможност на оптичните импулси да поддържат стабилно състояние вътре в кухината, изследователският екип също така проектира добро съответствие между периода на фазова модулация и кръговия време на задействане на оптичните импулси вътре в кухината и използва компенсиране на дисперсията, за да постигне добро съответствие с периода от време на фазова модулация. Следователно, изследването също е предназначено да постигне добро съвпадение между периода от време на фазова модулация и времето за обиколка на оптичния импулс в кухината и да използва дисперсията за компенсиране на натрупания чирп и да компенсира загубата на оптичен импулс въз основа на лазерно усилване и накрая реализиране на фазово заключване, както е показано на следващите фигури (BC); схематичната диаграма на реализирания интегриран лазер на чип със заключен режим на литиев ниобат е показана на следващата фигура (D).
Снимка
Принцип на работа и схема на устройството на интегрирания лазер на чипа със заключен режим на литиев ниобат.
Според изследователския екип, със своята висока изходна пикова мощност и способност за прецизен контрол на честотата, лазерът със заключен режим се очаква да изгради ултрабърза нелинейна оптична система с пълна интеграция в чип, като по този начин реализира оптични честотни гребени, суперконтинуални светлинни източници и атомни часовници с пълно заключване на честотата. Това значително ще улесни развитието на оптичните комуникации, медицинските изображения, прецизните измервания, изчисленията и други области. „В по-дългосрочен план лазерът със заключен режим на чип може да има незаменими приложения в областта на кохерентните комуникации, прецизното синхронизиране и прецизното измерване.“
Изображение.
Текущи резултати от анализа на настройката на интегрирания активен лазер със заключен режим
В допълнение, конвенционалните твърдотелни и оптични лазери с фиксиран режим, базирани на активни механизми за заключване на режима, могат да постигнат заключване на режима само в рамките на ограничен диапазон от честоти на външна модулация и когато външната честота на модулация надвишава съответния диапазон, оптичният изход на лазера импулсът ще загуби връзката си с фиксирана фаза (т.е. губи кохерентност). Както е показано на фигурата по-горе, в сравнение с конвенционалните активни лазери със заключен режим, интегрираният лазер със заключен режим на литиев ниобат върху чипа, реализиран в това изследване, има голям регулируем диапазон на честотата на повторение на импулса и е способен да генерира кохерентни оптични импулси в Честотен обхват на модулация 200 MHz. В допълнение, носещата честота и честотата на повторение на импулса на импулсния лазер могат да бъдат значително променени чрез регулиране на тока на помпата или честотата на модулация на лазера. Това означава, че лазерът със заключен режим може да се манипулира по различни начини. Чрез прецизна обратна връзка, контролираща тока на помпата на лазера или честотата на модулация, честотата на повторение на импулса и носещата честота на лазера могат да бъдат прецизно контролирани, като по този начин се реализира оптичен честотен гребен, който може прецизно да контролира честотата, което е от голямо значение за приложения с прецизна честота измерване.
Конвенционалните полупроводникови лазери със заключен режим обикновено интегрират областта на усилване и насищащия абсорбер (елемент със заключен режим) на един и същ полупроводников чип. Поради сложната динамика на носителя на трибо-пет полупроводника, лазерът може да постигне генериране на ултракъси импулси само в много тясна работна област на ток на помпата, което не е благоприятно за реализацията на лазерен изход с висока мощност. Въпреки това, това проучване напълно отприщва способността за висока изходна мощност на трибо-пет полупроводника чрез използване на тънкослоен литиев ниобат като активен заключващ режим елемент.
Въз основа на отличните свойства на тънкослойния литиев ниобат, екипът постигна серия от резултати в областта на тънкослойния литиев ниобат, интегрираната оптика и нелинейната оптика. Например, нелинейният оптичен ефект от втори ред на тънкослойната нанофотоника от литиев ниобат беше използван, за да се демонстрира най-бързото (46 фемтосекунди), ултра ниска енергия (80 фемтокинетични) изцяло оптично превключване на интегрирана оптична платформа до момента. На платформата за тънкослоен литиев ниобат ние също реализирахме оптичен параметричен усилвател с много високо усилване (100 dB/cm) и много голяма честотна лента на усилване (600 nm), широк диапазон от регулируем на честотата оптичен параметричен осцилатор и най-високата квантова компресия (4,9 dB) в областта на интегрираната оптика до момента.
Иън С. Осбърн, редактор на Science, похвали изследването: „Лазерите със заключен режим са авангардна технология в свръхбързата наука, позволяваща честотни гребени с ултракъси кохерентни оптични импулси и прецизно разстояние. Чрез интегриране на III-V усилваща среда с фазов модулатор на литиев ниобат, ние пробихме ограниченията на размера на конвенционалните лазери със заключен режим и реализирахме лазер със заключен режим с отлична производителност, като намалихме размера до мащаба на чипа. Резултатите от това изследване се очаква да имат практически приложения в авангардни области като прецизно измерване и спектроскопия."
