Baru-baru ini, pasukan Qiu-Shi Guo dari City University of New York dan Alireza Marandi dari California Institute of Technology menerbitkan artikel bertajuk "Laser terkunci mod Ultrafast dalam niobate litium nanofotonik" dalam jurnal Sains. "Pasukan itu dengan bijak menggabungkan keuntungan laser tinggi bagi semikonduktor III-V dengan sifat elektro-optik yang sangat baik bagi litium niobate filem nipis dan menghasilkan laser terkunci mod yang dipam secara elektrik dengan kuasa nadi puncak yang tinggi melalui penyepaduan hibrid, yang mempunyai pengulangan. kekerapan 10 GHz berhampiran 1065 nm, lebar nadi optik 4.8 ps, tenaga nadi lebih daripada 5 pJ dan kuasa puncak lebih daripada 0.5 pJ. pJ dan puncak kuasa lebih besar daripada 0.5 W. Selain itu, tenaga nadi keluaran laser dan kuasa puncaknya telah mencapai tahap tertinggi laser terkunci mod di bawah platform nanofotonik.
Bahan kristal litium niobate ialah bahan kristal tiruan yang jarang ditemui yang menggabungkan piezoelektrik, elektro-optik, akusto-optik, fotoelastik, tak linear, fotorefraktif dan kesan aktif laser, dan lain-lain. Bersama-sama dengan kelebihan sifat mekanikal yang stabil, pemprosesan mudah, rintangan suhu tinggi , rintangan kakisan, sumber bahan mentah yang banyak, harga rendah, dan mudah berkembang menjadi kristal besar, terutamanya selepas pelaksanaan dopan yang berbeza boleh menunjukkan pelbagai sifat istimewa, ia adalah sifat fotonik yang paling komprehensif dan komprehensif yang telah ditemui setakat ini . Ia adalah kristal dengan sifat fotonik yang paling banyak dan indeks komprehensif terbaik yang ditemui oleh orang ramai setakat ini, dan mempunyai prospek aplikasi pasaran yang sangat luas. Oleh itu, ia juga dikenali sebagai bahan "silikon optik" dalam era fotonik, dan digunakan secara meluas dalam penapis berprestasi tinggi, peranti elektro-optik, storan holografik, paparan holografik 3D, peranti optik tak linear, dan komunikasi kuantum optik.
Laser terkunci mod mampu menghasilkan denyutan optik ultrashort yang sengit, koheren, pada skala masa picosecond dan femtosecond, dan dengan itu boleh merealisasikan aplikasi dalam bidang canggih seperti optik tak linear yang melampau, jam atom optik, sikat frekuensi optik, pengimejan bio, dan pengkomputeran fotonik. Walau bagaimanapun, laser terkunci mod konvensional semasa mempunyai kelemahan harga tinggi, penggunaan kuasa tinggi dan saiz besar, dan laser terkunci mod berdasarkan integrasi heterogen semikonduktor III-V dengan platform nanofotonik lithium niobate dijangka mencapai kuasa keluaran yang lebih tinggi. dan kebolehtunaian yang lebih tinggi, jadi teknologi yang berkaitan telah menarik perhatian yang meluas daripada penyelidik.
Menyasarkan kesesakan teknologi dalam bidang laser terkunci mod, pasukan penyelidik telah menembusi had saiz laser terkunci mod tradisional dengan menyepadukan medium perolehan III-V dan modulator fasa litium niobate, dan merealisasikan laser terkunci mod dengan prestasi cemerlang sambil mengecilkan saiz ke tahap cip.
Laser terkunci mod boleh dibahagikan kepada dua mekanisme: penguncian mod pasif dan penguncian mod aktif. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah (A) di bawah, untuk merealisasikan penguncian mod aktif laser, penulis menambah modulator fasa elektro-optik berdasarkan niobate litium filem nipis di dalam rongga resonan laser; memandangkan indeks biasan litium niobate berubah secara berkala di bawah kesan elektro-optik, yang mengakibatkan denyutan optik gagal mengekalkan keadaan mantap di dalam rongga, pasukan penyelidik juga mereka bentuk padanan yang baik antara tempoh masa modulasi fasa dan pusingan- masa perjalanan denyutan optik di dalam rongga, dan menggunakan pengimbangan penyebaran untuk mencapai padanan yang baik dengan tempoh masa modulasi fasa. Oleh itu, penyelidikan juga direka untuk mencapai padanan yang baik antara tempoh masa modulasi fasa dan masa pergi balik nadi optik dalam rongga, dan menggunakan penyebaran untuk mengimbangi kicauan terkumpul, dan mengimbangi kehilangan nadi optik berdasarkan keuntungan laser, dan akhirnya menyedari penguncian fasa, seperti yang ditunjukkan dalam angka berikut (SM); rajah skematik laser pada cip terkunci mod litium niobate bersepadu yang direalisasikan ditunjukkan dalam rajah berikut (D).
Gambar
Prinsip pengendalian dan skema peranti bagi laser pada cip terkunci mod litium niobate bersepadu.
Menurut pasukan penyelidik, dengan kuasa puncak keluaran yang tinggi dan keupayaan kawalan frekuensi yang tepat, laser terkunci mod dijangka membina sistem optik tak linear ultrafast dengan penyepaduan penuh pada cip, sekali gus merealisasikan sikat frekuensi optik, sumber cahaya superkontinum dan atom. jam dengan penguncian frekuensi penuh. Ini akan memudahkan pembangunan komunikasi optik, pengimejan perubatan, pengukuran ketepatan, pengkomputeran dan bidang lain. "Dalam jangka panjang, laser terkunci mod pada cip mungkin mempunyai aplikasi yang tidak boleh diganti dalam bidang komunikasi yang koheren, pemasaan ketepatan dan pengukuran ketepatan."
Gambar.
Keputusan analisis penalaan semasa laser terkunci mod aktif bersepadu
Di samping itu, laser keadaan pepejal dan gentian terkunci mod konvensional berdasarkan mekanisme penguncian mod aktif hanya boleh mencapai penguncian mod dalam julat terhad frekuensi modulasi luaran, dan apabila frekuensi modulasi luaran melebihi julat yang berkaitan, keluaran laser optik nadi akan kehilangan hubungan fasa tetapnya (iaitu, ia kehilangan koheren). Seperti yang ditunjukkan dalam rajah di atas, berbanding dengan laser terkunci mod aktif konvensional, laser terkunci mod cip litium niobate bersepadu yang direalisasikan dalam kajian ini mempunyai julat frekuensi ulangan nadi yang boleh dilaras yang besar dan mampu menjana denyutan optik yang koheren dalam Julat frekuensi modulasi 200 MHz. Di samping itu, frekuensi pembawa dan kekerapan pengulangan nadi laser berdenyut boleh diubah dengan ketara dengan melaraskan arus pam atau frekuensi modulasi laser. Ini bermakna bahawa laser terkunci mod boleh dimanipulasi dalam pelbagai cara. Dengan maklum balas yang tepat mengawal arus pam laser atau kekerapan modulasi, kekerapan ulangan nadi dan frekuensi pembawa laser boleh dikawal dengan tepat, dengan itu merealisasikan sikat frekuensi optik yang boleh mengawal frekuensi dengan tepat, yang sangat penting untuk aplikasi dalam frekuensi yang tepat. pengukuran.
Laser terkunci mod semikonduktor konvensional lazimnya mengintegrasikan kawasan perolehan dan penyerap boleh tepu (elemen terkunci mod) pada cip semikonduktor yang sama. Disebabkan oleh dinamik pembawa kompleks semikonduktor tribo-lima, laser hanya boleh mencapai penjanaan nadi ultrashort dalam kawasan operasi arus pam yang dipacu sangat sempit, yang tidak kondusif untuk merealisasikan output laser berkuasa tinggi. Walau bagaimanapun, kajian ini melepaskan sepenuhnya keupayaan output kuasa tinggi semikonduktor tribo-lima dengan menggunakan litium niobate filem nipis sebagai elemen pengunci mod aktif.
Berdasarkan sifat cemerlang litium niobate filem nipis, pasukan itu telah mencapai satu siri keputusan dalam bidang niobate litium filem nipis, optik bersepadu dan optik tak linear. Sebagai contoh, kesan optik tak linear tertib kedua bagi nanofotonik litium niobate filem nipis telah digunakan untuk menunjukkan pensuisan semua optik tenaga ultra-rendah (80 femtokinetik) terpantas pada platform optik bersepadu setakat ini. Pada platform litium niobate filem nipis, kami juga telah merealisasikan penguat parametrik optik dengan keuntungan yang sangat tinggi (100 dB/cm) dan lebar jalur keuntungan yang sangat besar (600 nm), rangkaian luas pengayun parametrik optik boleh tala frekuensi, dan mampatan kuantum tertinggi (4.9 dB) dalam bidang optik bersepadu setakat ini.
Ian S. Osborne, editor Sains, memuji penyelidikan itu: "Laser terkunci mod ialah teknologi termaju dalam sains ultrapantas, membolehkan sikat frekuensi dengan denyutan optik koheren ultrapendek dan jarak yang tepat. Dengan menyepadukan medium perolehan III-V dengan modulator fasa lithium niobate, kami telah menembusi kekangan saiz laser terkunci mod konvensional dan merealisasikan laser terkunci mod dengan prestasi cemerlang sambil mengecilkan saiz kepada skala cip. Hasil penyelidikan ini dijangka mempunyai aplikasi praktikal dalam teknologi canggih bidang seperti pengukuran ketepatan dan spektroskopi."
