Nylig publiserte teamet til Qiu-Shi Guo fra City University of New York og Alireza Marandi fra California Institute of Technology en artikkel med tittelen "Ultrafast mode-locked laser in nanophotonic lithium niobate" i tidsskriftet Science. "Teamet kombinerte på en smart måte den høye laserforsterkningen til III-V-halvledere med de utmerkede elektro-optiske egenskapene til tynnfilm litiumniobat og produserte en elektrisk pumpet moduslåst laser med høy topppulseffekt gjennom hybridintegrasjon, som har en repetisjon frekvens på 10 GHz nær 1065 nm, en optisk pulsbredde på 4,8 ps, en pulsenergi på mer enn 5 pJ, og en toppeffekt på mer enn 0,5 pJ. pJ, og topp effekt større enn 0,5 W. Dessuten har laserutgangspulsenergien og toppeffekten nådd det høyeste nivået av moduslåste lasere under nanofotonikkplattformen.
Litiumniobatkrystallmateriale er et sjeldent kunstig krystallmateriale som kombinerer piezoelektriske, elektro-optiske, akusto-optiske, fotoelastiske, ikke-lineære, fotobrytende og laseraktive effekter, etc. Sammen med fordelene med stabile mekaniske egenskaper, enkel prosessering, motstand mot høy temperatur , korrosjonsbestandighet, rikelig med råmaterialekilder, lav pris og lett å vokse til store krystaller, spesielt etter implementering av forskjellige dopingmidler kan vise en rekke spesielle egenskaper, er det de mest omfattende og omfattende fotoniske egenskapene som har blitt oppdaget så langt . Det er krystallen med de mest fotoniske egenskapene og de beste omfattende indeksene som er oppdaget av folk så langt, og har et veldig bredt potensial for markedsapplikasjoner. Derfor er det også kjent som det "optiske silisium"-materialet i den fotoniske æraen, og er mye brukt i høyytelsesfiltre, elektro-optiske enheter, holografisk lagring, 3D-holografiske skjermer, ikke-lineære optiske enheter og optisk kvantekommunikasjon.
Moduslåste lasere er i stand til å generere intense, koherente, ultrakorte optiske pulser på pikosekund- og femtosekund-tidsskalaer, og kan dermed realisere applikasjoner i slike banebrytende felt som ekstrem ikke-lineær optikk, optiske atomklokker, optiske frekvenskammer, bioavbildning, og fotonisk databehandling. Imidlertid har dagens konvensjonelle moduslåste lasere ulempene med høy pris, høyt strømforbruk og stor størrelse, og moduslåste lasere basert på heterogen integrasjon av III-V halvledere med litiumniobat nanofotoniske plattformer forventes å oppnå høyere utgangseffekt og høyere avstembarhet, så de relaterte teknologiene har tiltrukket seg omfattende oppmerksomhet fra forskere.
Med sikte på den teknologiske flaskehalsen innen moduslåste lasere, har forskerteamet brutt gjennom størrelsesbegrensningen til tradisjonelle moduslåste lasere ved å integrere et III-V forsterkningsmedium og en litiumniobatfasemodulator, og realiserte moduslåste lasere med utmerket ytelse samtidig som den krymper størrelsen til brikkenivået.
Moduslåste lasere kan deles inn i to mekanismer: passiv moduslåsing og aktiv moduslåsing. Som vist i figur (A) nedenfor, for å realisere aktiv moduslåsing av laseren, la forfatterne til en elektro-optisk fasemodulator basert på tynnfilm litiumniobat inne i laserresonanshulrommet; siden brytningsindeksen til litiumniobat endres periodisk under den elektrooptiske effekten, noe som resulterer i at de optiske pulsene ikke klarer å opprettholde en stabil tilstand inne i hulrommet, designet forskerteamet også en god match mellom fasemodulasjonstidsperioden og rund- utløsningstid for de optiske pulsene inne i hulrommet, og benyttet dispersjonsoffset for å oppnå en god overensstemmelse med fasemodulasjonstidsperioden. Derfor har forskningen også designet for å oppnå en god match mellom fasemodulasjonstidsperioden og rundturstiden for den optiske pulsen i hulrommet, og bruke spredningen til å forskyve den akkumulerte chirpen, og kompensere det optiske pulstapet basert på laserforsterkning, og til slutt realisere faselåsingen, som vist i følgende figurer (BC); det skjematiske diagrammet for den realiserte integrerte litiumniobatmoduslåste på brikkelaseren er vist i følgende figur (D).
Bilde
Driftsprinsipp og enhetsskjema for den integrerte litiumniobatmoduslåste på brikkelaseren.
I følge forskerteamet forventes den moduslåste laseren med sin høye toppeffekt og presise frekvenskontroll å bygge et ultraraskt ikke-lineært optisk system med full integrasjon på brikken, og dermed realisere optiske frekvenskammer, superkontinuum lyskilder og atom klokker med full frekvens låsing. Dette vil i stor grad lette utviklingen av optisk kommunikasjon, medisinsk bildebehandling, presisjonsmåling, databehandling og andre felt. "På lengre sikt kan den moduslåste laseren på brikken ha uerstattelige applikasjoner innen sammenhengende kommunikasjon, presisjonstiming og presisjonsmåling."
Bilde.
Gjeldende tuning analyseresultater av den integrerte aktive moduslåste laseren
I tillegg kan konvensjonelle solid-state- og fibermoduslåste lasere basert på aktive moduslåsemekanismer bare oppnå moduslåsing innenfor et begrenset område av eksterne modulasjonsfrekvenser, og når den eksterne modulasjonsfrekvensen overstiger det relevante området, vil laserutgangen optisk puls vil miste sitt faste faseforhold (dvs. den mister koherens). Som vist i figuren ovenfor, sammenlignet med konvensjonelle aktive moduslåste lasere, har den integrerte litiumniobat-on-chip moduslåste laseren realisert i denne studien et stort justerbart område for pulsrepetisjonsfrekvens og er i stand til å generere koherente optiske pulser i 200 MHz modulasjonsfrekvensområde. I tillegg kan bærefrekvensen og pulsrepetisjonsfrekvensen til den pulsede laseren endres betydelig ved å justere pumpestrømmen eller modulasjonsfrekvensen til laseren. Dette betyr at den moduslåste laseren kan manipuleres på en rekke måter. Ved nøyaktig tilbakemeldingskontroll av laserens pumpestrøm eller modulasjonsfrekvens, kan pulsrepetisjonsfrekvensen og bærefrekvensen til laseren kontrolleres nøyaktig, og dermed realisere en optisk frekvenskam som kan kontrollere frekvensen nøyaktig, noe som er av stor betydning for applikasjoner i presis frekvens mål.
Konvensjonelle halvledermoduslåste lasere integrerer typisk forsterkningsområdet og mettbar absorber (moduslåst element) på samme halvlederbrikke. På grunn av den komplekse bærerdynamikken til tribo-five-halvlederen, kan laseren bare oppnå ultrakort pulsgenerering i et svært smalt drevet pumpestrømdriftsområde, noe som ikke bidrar til realisering av høyeffekts laserutgang. Imidlertid frigjør denne studien fullt ut den høye utgangskapasiteten til tribo-five-halvlederen ved å bruke tynnfilm litiumniobat som et aktivt moduslåsende element.
Basert på de utmerkede egenskapene til tynnfilmlitiumniobat, har teamet oppnådd en rekke resultater innen feltene tynnfilmlitiumniobat, integrert optikk og ikke-lineær optikk. For eksempel ble den andre-ordens ikke-lineære optiske effekten av tynnfilm litiumniobat nanofotonikk brukt for å demonstrere den raskeste (46 femtosekunder), ultralavenergi (80 femtokinetisk) all-optisk svitsjing på en integrert optikkplattform til dags dato. På tynnfilmslitiumniobatplattformen har vi også realisert en optisk parametrisk forsterker med veldig høy forsterkning (100 dB/cm) og veldig stor forsterkningsbåndbredde (600 nm), et bredt spekter av frekvensjusterbare optiske parametriske oscillatorer, og høyeste kvantekompresjon (4,9 dB) innen integrert optikk til dags dato.
Ian S. Osborne, redaktør for Science, berømmet forskningen: "Moduslåste lasere er en banebrytende teknologi innen ultrarask vitenskap, som muliggjør frekvenskammer med ultrakorte koherente optiske pulser og presis avstand. Ved å integrere et III-V-forsterkningsmedium med en litiumniobatfasemodulator, har vi brutt gjennom størrelsesbegrensningene til konvensjonelle moduslåste lasere og realisert en moduslåst laser med utmerket ytelse mens vi reduserer til brikkeskalaen. Resultatene av denne forskningen forventes å ha praktiske anvendelser i banebrytende felt som presisjonsmåling og spektroskopi."
