Недавно је тим Киу-Схи Гуоа са Градског универзитета у Њујорку и Алиреза Маранди са Калифорнијског института за технологију објавио чланак под насловом "Ултрабрзи ласер са закључавањем мода у нанофотонском литијум ниобату" у часопису Сциенце. „Тим је паметно комбиновао високо ласерско појачање ИИИ-В полупроводника са одличним електро-оптичким својствима танкослојног литијум ниобата и произвео ласер са закључавањем мода са електричном пумпом са високом максималном снагом импулса кроз хибридну интеграцију, која има понављање фреквенција од 10 ГХз близу 1065 нм, оптичка ширина импулса од 4,8 пс, енергија импулса већа од 5 пЈ и вршна снага већа од 0,5 пЈ. пЈ и вршна снаге веће од 0,5 В. Штавише, његова излазна енергија импулса ласера и вршна снага су достигли највиши ниво ласера са закључаним модом под нанофотонском платформом.
Кристални материјал литијум ниобата је редак вештачки кристални материјал који комбинује пиезоелектричне, електро-оптичке, акусто-оптичке, фотоеластичне, нелинеарне, фоторефрактивне и ласерско активне ефекте, итд. Заједно са предностима стабилних механичких својстава, лаке обраде, отпорности на високе температуре , отпорност на корозију, обилни извори сировина, ниска цена и лако прерастање у велике кристале, посебно након што примена различитих додатака може показати низ посебних својстава, то је најсвеобухватнија и најсвеобухватнија фотоничка својства која су откривена до сада . То је кристал са највише фотоничких својстава и најбољим свеобухватним индексима које су људи до сада открили, и има веома широку перспективу примене на тржишту. Због тога је познат и као "оптички силицијум" материјал у фотонској ери и широко се користи у филтерима високих перформанси, електро-оптичким уређајима, холографском складиштењу, 3Д холографским дисплејима, нелинеарним оптичким уређајима и оптичкој квантној комуникацији.
Ласери са закључавањем мода су способни да генеришу интензивне, кохерентне, ултракратке оптичке импулсе на временским скалама пикосекунде и фемтосекунде, и на тај начин могу да реализују примене у најсавременијим областима као што су екстремна нелинеарна оптика, оптички атомски сатови, оптички фреквентни чешљеви, био-имагинг, и фотонско рачунарство. Међутим, тренутни конвенционални ласери са закључавањем мода имају недостатке високе цене, велике потрошње енергије и велике величине, а очекује се да ће ласери са закључавањем мода засновани на хетерогеној интеграцији ИИИ-В полупроводника са нанофотонским платформама литијум ниобата постићи већу излазну снагу. и већу прилагодљивост, тако да су сродне технологије привукле велику пажњу истраживача.
Циљајући на технолошко уско грло у области ласера са закључавањем мода, истраживачки тим је пробио ограничење величине традиционалних ласера са закључавањем мода интеграцијом медија за појачање ИИИ-В и фазног модулатора литијум ниобата и реализованих ласера са закључавањем мода. са одличним перформансама уз смањење величине на ниво чипа.
Ласери са закључавањем мода могу се поделити на два механизма: пасивно закључавање мода и активно закључавање мода. Као што је приказано на слици (А) испод, да би реализовали активно закључавање мода ласера, аутори су додали електро-оптички фазни модулатор заснован на танкослојном литијум ниобату унутар ласерске резонантне шупљине; пошто се индекс преламања литијум ниобата периодично мења под електро-оптичким ефектом, што доводи до тога да оптички импулси не успевају да одрже стабилно стање унутар шупљине, истраживачки тим је такође дизајнирао добро подударање између временског периода фазне модулације и кружног време проласка оптичких импулса унутар шупљине и коришћено дисперзионо померање да би се постигло добро подударање са временским периодом фазне модулације. Стога је истраживање такође осмишљено тако да постигне добро подударање између временског периода фазне модулације и времена повратног пута оптичког импулса у шупљини, и користи дисперзију за компензацију акумулираног цирпа и компензацију губитка оптичког импулса на основу ласерско појачање, и коначно реализовати фазно закључавање, као што је приказано на следећим сликама (БЦ); Шематски дијаграм реализованог интегрисаног литијум-ниобатног ласера на чипу са блокадом мода приказан је на следећој слици (Д).
Слика
Принцип рада и шема уређаја интегрисаног ласера на чипу са закључавањем мода литијум ниобата.
Према истраживачком тиму, са својом високом излазном вршном снагом и могућношћу прецизне контроле фреквенције, очекује се да ће ласер са закључавањем мода изградити ултрабрзи нелинеарни оптички систем са потпуном интеграцијом на чипу, чиме се реализују оптички фреквентни чешљеви, суперконтинуални извори светлости и атомски сатови са закључавањем пуне фреквенције. Ово ће у великој мери олакшати развој оптичких комуникација, медицинског снимања, прецизног мерења, рачунарства и других области. „Дугорочно гледано, ласер са закључавањем мода на чипу може имати незаменљиву примену у областима кохерентне комуникације, прецизног времена и прецизног мерења.“
Слика.
Тренутни резултати анализе подешавања интегрисаног ласера са активним закључавањем мода
Поред тога, конвенционални полупроводнички и оптички ласери са закључавањем мода засновани на активним механизмима за закључавање мода могу постићи закључавање мода само унутар ограниченог опсега спољашњих фреквенција модулације, а када фреквенција екстерне модулације пређе релевантни опсег, оптички излаз ласера пулс ће изгубити свој фиксни фазни однос (тј. губи кохерентност). Као што је приказано на горњој слици, у поређењу са конвенционалним ласерима са активним закључавањем мода, интегрисани литијум ниобатни ласер са закључавањем мода на чипу реализован у овој студији има велики подесиви опсег фреквенције понављања импулса и способан је да генерише кохерентне оптичке импулсе у Опсег фреквенције модулације од 200 МХз. Поред тога, фреквенција носиоца и фреквенција понављања импулса импулсног ласера могу се значајно променити подешавањем струје пумпе или фреквенције модулације ласера. То значи да се ласером са закључаним модом може манипулисати на различите начине. Прецизном повратном спрегом којом се контролише струја ласерске пумпе или фреквенција модулације, фреквенција понављања импулса и носећа фреквенција ласера могу се прецизно контролисати, чиме се остварује оптички фреквентни чешаљ који може прецизно контролисати фреквенцију, што је од великог значаја за апликације у прецизној фреквенцији. мерење.
Конвенционални полупроводнички ласери са закључавањем мода обично интегришу област појачања и апсорбер који се може засићити (елемент са закључавањем мода) на истом полупроводничком чипу. Због сложене динамике носиоца трибо-пет полупроводника, ласер може постићи генерисање ултракратких импулса само у веома уско вођеном радном подручју струје пумпе, што није погодно за реализацију ласерског излаза велике снаге. Међутим, ова студија у потпуности ослобађа способност велике излазне снаге трибо-пет полупроводника коришћењем танког филма литијум ниобата као активног елемента за закључавање мода.
На основу одличних својстава танкослојног литијум ниобата, тим је постигао низ резултата у областима танкослојног литијум ниобата, интегрисане оптике и нелинеарне оптике. На пример, нелинеарни оптички ефекат другог реда танкослојне нанофотонике литијум ниобата је коришћен за демонстрацију најбржег (46 фемтосекунди), ултра ниске енергије (80 фемтокинетичких) потпуно оптичког пребацивања на интегрисаној оптичкој платформи до сада. На платформи са танким слојем литијум ниобата, такође смо реализовали оптичко параметарско појачало са веома високим појачањем (100 дБ/цм) и веома великим опсегом појачања (600 нм), широким опсегом оптичког параметарског осцилатора подесивог фреквенције и највећа квантна компресија (4,9 дБ) у области интегрисане оптике до сада.
Иан С. Осборне, уредник часописа Сциенце, похвалио је истраживање: „Ласери са закључавањем мода су врхунска технологија у ултрабрзи науци, омогућавајући фреквентне чешљеве са ултра кратким кохерентним оптичким импулсима и прецизним размаком. Интеграцијом медија за појачавање ИИИ-В са литијум ниобатни фазни модулатор, пробили смо ограничења величине конвенционалних ласера са закључавањем мода и реализовали ласер са закључавањем мода са одличним перформансама уз смањење величине на скалу чипа. Очекује се да резултати овог истраживања имају практичну примену у најсавременијим области као што су прецизно мерење и спектроскопија“.
