Nedavno je tim Qiu-Shi Guoa s Gradskog sveučilišta u New Yorku i Alireza Marandi s Kalifornijskog instituta za tehnologiju objavio članak pod naslovom "Ultrafast mode-locked laser in nanophotonic lithium niobate" u časopisu Science. "Tim je pametno kombinirao visoko lasersko pojačanje III-V poluvodiča s izvrsnim elektro-optičkim svojstvima tankog filma litij-niobata i proizveo laser s električnom pumpom i zaključanim modom s visokom vršnom snagom pulsa kroz hibridnu integraciju, koja ima ponavljanje frekvencija od 10 GHz blizu 1065 nm, širina optičkog impulsa od 4,8 ps, energija pulsa veća od 5 pJ i vršna snaga veća od 0,5 pJ. pJ, i vršna snaga veća od 0,5 W. Štoviše, njegova laserska izlazna pulsna energija i vršna snaga dosegle su najvišu razinu lasera s zaključanim načinom rada u okviru platforme nanofotonike.
Kristalni materijal litij-niobata je rijedak umjetni kristalni materijal koji kombinira piezoelektrične, elektro-optičke, akusto-optičke, fotoelastične, nelinearne, fotorefraktivne i laserski aktivne učinke, itd. Zajedno s prednostima stabilnih mehaničkih svojstava, jednostavne obrade, otpornosti na visoke temperature , otpornost na koroziju, obilni izvori sirovina, niska cijena i lako se uzgajaju u velike kristale, posebno nakon primjene različitih dodataka koji mogu pokazati različita posebna svojstva, to su najopsežnija i najopsežnija fotonička svojstva koja su do sada otkrivena . To je kristal s najviše fotonskih svojstava i najboljim sveobuhvatnim indeksima koje su ljudi do sada otkrili i ima vrlo široku perspektivu tržišne primjene. Stoga je također poznat kao materijal "optičkog silicija" u fotonskoj eri i naširoko se koristi u filtrima visokih performansi, elektrooptičkim uređajima, holografskoj pohrani, 3D holografskim zaslonima, nelinearnim optičkim uređajima i optičkoj kvantnoj komunikaciji.
Laseri s zaključanim modom sposobni su generirati intenzivne, koherentne, ultrakratke optičke impulse na vremenskim skalama od pikosekunde i femtosekunde i stoga mogu ostvariti primjene u tako vrhunskim poljima kao što su ekstremna nelinearna optika, optički atomski satovi, optički frekvencijski češljevi, bioimaging, i fotonsko računalstvo. Međutim, trenutačni konvencionalni laseri s zaključanim modom imaju nedostatke visoke cijene, velike potrošnje energije i velike veličine, a očekuje se da će laseri s zaključanim modom temeljeni na heterogenoj integraciji III-V poluvodiča s nanofotonskim platformama litijeva niobata postići veću izlaznu snagu i veću prilagodljivost, pa su povezane tehnologije privukle veliku pozornost istraživača.
Ciljajući na tehnološko usko grlo u području lasera s zaključanim modom, istraživački tim je probio ograničenje veličine tradicionalnih lasera s zaključanim modom integracijom medija za pojačanje III-V i faznog modulatora litij-niobata te realizirao lasere s zaključanim modom s izvrsnim performansama uz smanjenje veličine na razinu čipa.
Laseri s zaključanim modom mogu se podijeliti u dva mehanizma: pasivno zaključavanje moda i aktivno zaključavanje moda. Kao što je prikazano na slici (A) u nastavku, da bi se realiziralo aktivno zaključavanje moda lasera, autori su dodali elektro-optički fazni modulator temeljen na tankom sloju litijeva niobata unutar laserske rezonantne šupljine; budući da se indeks loma litijeva niobata povremeno mijenja pod elektrooptičkim učinkom, što rezultira time da optički impulsi ne uspijevaju održati ravnomjerno stanje unutar šupljine, istraživački tim također je osmislio dobro podudaranje između vremenskog razdoblja fazne modulacije i okruglog vrijeme okidanja optičkih impulsa unutar šupljine, i korišteno pomicanje disperzije kako bi se postiglo dobro podudaranje s vremenskim periodom fazne modulacije. Stoga je istraživanje također osmišljeno kako bi se postiglo dobro podudaranje između vremenskog razdoblja fazne modulacije i vremena povratnog putovanja optičkog impulsa u šupljini, te koristila disperzija za poništavanje akumuliranog chirpa i kompenzacija gubitka optičkog pulsa na temelju lasersko pojačanje, i konačno ostvariti fazno zaključavanje, kao što je prikazano na sljedećim slikama (BC); shematski dijagram realiziranog integriranog lasera na čipu s zaključanim modom litij niobata prikazan je na sljedećoj slici (D).
Slika
Princip rada i shema uređaja integriranog lasera na čipu s zaključanim načinom rada litij-niobatom.
Prema istraživačkom timu, sa svojom velikom izlaznom vršnom snagom i mogućnošću precizne kontrole frekvencije, očekuje se da će laser s zaključanim modom izgraditi ultrabrzi nelinearni optički sustav s potpunom integracijom na čipu, čime će se ostvariti optički frekvencijski češljevi, superkontinualni izvori svjetlosti i atomski satovi s punim zaključavanjem frekvencije. To će uvelike olakšati razvoj optičkih komunikacija, medicinskih slika, preciznih mjerenja, računalstva i drugih područja. "Dugoročno gledano, laser s zaključanim modom na čipu mogao bi imati nezamjenjivu primjenu u poljima koherentne komunikacije, preciznog mjerenja vremena i preciznog mjerenja."
Slika.
Trenutačni rezultati analize ugađanja integriranog lasera s zaključanim aktivnim modom
Osim toga, konvencionalni poluprovodnički i optički laseri s zaključanim načinom rada koji se temelje na aktivnim mehanizmima zaključavanja načina mogu postići zaključavanje načina samo unutar ograničenog raspona vanjskih modulacijskih frekvencija, a kada vanjska modulacijska frekvencija prijeđe relevantni raspon, laserski izlazni optički puls će izgubiti svoj odnos fiksne faze (tj. gubi koherenciju). Kao što je prikazano na gornjoj slici, u usporedbi s konvencionalnim aktivnim laserima s zaključanim modom, integrirani laser s zaključanim modom na čipu od litijeva niobata ostvaren u ovoj studiji ima veliki podesivi raspon frekvencije ponavljanja impulsa i sposoban je generirati koherentne optičke impulse u Frekvencijski raspon modulacije od 200 MHz. Osim toga, frekvencija nositelja i frekvencija ponavljanja impulsa pulsirajućeg lasera mogu se značajno promijeniti podešavanjem struje pumpe ili frekvencije modulacije lasera. To znači da se laserom zaključanog načina rada može manipulirati na razne načine. Preciznom povratnom spregom koja kontrolira struju pumpe lasera ili frekvenciju modulacije, frekvencija ponavljanja impulsa i frekvencija nosača lasera mogu se precizno kontrolirati, čime se ostvaruje optički frekvencijski češalj koji može precizno kontrolirati frekvenciju, što je od velikog značaja za primjene u preciznim frekvencijama mjerenje.
Konvencionalni poluvodički laseri s zaključanim modom obično integriraju područje pojačanja i zasićeni apsorber (element s zaključanim modom) na istom poluvodičkom čipu. Zbog složene dinamike nositelja poluvodiča tribo-pet, laser može postići generiranje ultrakratkog impulsa samo u vrlo uskom radnom području vođene struje pumpe, što nije pogodno za realizaciju laserskog izlaza velike snage. Međutim, ova studija u potpunosti oslobađa sposobnost visoke izlazne snage tribo-pet poluvodiča korištenjem tankog filma litijevog niobata kao aktivnog elementa za zaključavanje moda.
Na temelju izvrsnih svojstava tankog filma litijevog niobata, tim je postigao niz rezultata u poljima tankog filma litijevog niobata, integrirane optike i nelinearne optike. Na primjer, nelinearni optički učinak drugog reda tankoslojne nanofotonike litij-niobata korišten je za demonstraciju najbržeg (46 femtosekundi), ultraniskoenergetskog (80 femtokinetičkog) sveoptičkog prebacivanja na integriranoj optičkoj platformi do danas. Na platformi litij-niobata tankog filma, također smo realizirali optičko parametarsko pojačalo s vrlo visokim pojačanjem (100 dB/cm) i vrlo velikom propusnošću pojačanja (600 nm), širokim rasponom frekvencijski podesivog optičkog parametarskog oscilatora i najveća kvantna kompresija (4,9 dB) u području integrirane optike do danas.
Ian S. Osborne, urednik časopisa Science, pohvalio je istraživanje: "Mode-locked laseri su vrhunska tehnologija u ultrabrzoj znanosti, omogućujući češljeve frekvencija s ultrakratkim koherentnim optičkim impulsima i preciznim razmakom. Integracijom medija za pojačanje III-V s faznog modulatora litij-niobata, probili smo ograničenja veličine konvencionalnih lasera s zaključanim načinom rada i realizirali laser s zaključanim načinom rada s izvrsnim performansama uz smanjivanje veličine na ljestvicu čipa. Očekuje se da će rezultati ovog istraživanja imati praktičnu primjenu u najsuvremenijim polja kao što su precizna mjerenja i spektroskopija."
