Nesen Qiu-Shi Guo komanda no Ņujorkas pilsētas universitātes un Alireza Marandi no Kalifornijas Tehnoloģiju institūta žurnālā Science publicēja rakstu ar nosaukumu "Ultrafast mode-locked laser in nanophotonic litium niobate". "Komanda gudri apvienoja III-V pusvadītāju lielo lāzera pastiprinājumu ar plānās kārtiņas litija niobāta izcilajām elektrooptiskajām īpašībām un izgatavoja elektriski sūknētu režīmā bloķētu lāzeru ar augstu maksimālo impulsa jaudu, izmantojot hibrīda integrāciju, kas atkārtojas. frekvence 10 GHz tuvu 1065 nm, optiskā impulsa platums 4,8 ps, impulsa enerģija vairāk nekā 5 pJ un maksimālā jauda lielāka par 0,5 pJ. pJ un maksimums jauda ir lielāka par 0,5 W. Turklāt tā lāzera izejas impulsa enerģija un maksimālā jauda ir sasniegusi augstāko līmeni bloķētajiem lāzeriem zem nanofotonikas platformas.
Litija niobāta kristāla materiāls ir rets mākslīgo kristālu materiāls, kas apvieno pjezoelektriskos, elektrooptiskos, akusto-optiskos, fotoelastīgos, nelineāros, fotorefrakcijas un lāzeraktīvos efektus utt. Kopā ar stabilu mehānisko īpašību, vieglas apstrādes, augstas temperatūras izturības priekšrocībām. , izturība pret koroziju, bagātīgi izejvielu avoti, zema cena un viegli audzējami lielos kristālos, īpaši pēc tam, kad dažādu dopantu ieviešana var uzrādīt dažādas īpašas īpašības, tās ir visplašākās un visaptverošākās fotonikas īpašības, kas līdz šim ir atklātas . Tas ir kristāls ar visvairāk fotoniskajām īpašībām un labākajiem visaptverošajiem indeksiem, ko līdz šim ir atklājuši cilvēki, un tam ir ļoti plaša tirgus pielietojuma perspektīva. Tāpēc tas ir pazīstams arī kā "optiskā silīcija" materiāls fotoniskajā laikmetā, un to plaši izmanto augstas veiktspējas filtros, elektrooptiskās ierīcēs, hologrāfiskajā krātuvē, 3D hologrāfiskajos displejos, nelineārās optiskās ierīcēs un optiskajā kvantu komunikācijā.
Režīmu bloķētie lāzeri spēj ģenerēt intensīvus, koherentus, ultraīsus optiskos impulsus pikosekundes un femtosekundes laika skalās, un tādējādi var realizēt pielietojumu tādās progresīvās jomās kā ekstrēma nelineāra optika, optiskie atompulksteņi, optiskās frekvences ķemmes, bioattēlveidošana, un fotoniskā skaitļošana. Tomēr pašreizējiem parastajiem ar režīmu bloķētajiem lāzeriem ir trūkumi, piemēram, augstā cena, liels enerģijas patēriņš un liels izmērs, un paredzams, ka režīmā bloķētie lāzeri, kuru pamatā ir neviendabīga III-V pusvadītāju integrācija ar litija niobāta nanofotoniskajām platformām, sasniegs lielāku izejas jaudu. un augstāka regulējamība, tāpēc saistītās tehnoloģijas ir piesaistījušas plašu pētnieku uzmanību.
Mēģinot novērst tehnoloģisko vājo vietu režīmā bloķētu lāzeru jomā, pētnieku grupa ir pārvarējusi tradicionālo režīma bloķēto lāzeru izmēru ierobežojumu, integrējot III-V pastiprināšanas vidi un litija niobāta fāzes modulatoru, kā arī realizējusi režīma bloķētus lāzerus. ar izcilu veiktspēju, vienlaikus samazinot izmēru līdz mikroshēmas līmenim.
Režīmu bloķētos lāzerus var iedalīt divos mehānismos: pasīvā režīma bloķēšana un aktīvā režīma bloķēšana. Kā parādīts attēlā (A), lai realizētu lāzera aktīvo režīma bloķēšanu, autori lāzera rezonanses dobumā pievienoja elektrooptisko fāzes modulatoru, kura pamatā ir plānslāņa litija niobāts; tā kā litija niobāta refrakcijas indekss elektrooptiskā efekta ietekmē periodiski mainās, kā rezultātā optiskie impulsi nespēj uzturēt līdzsvara stāvokli dobumā, pētnieku grupa arī izstrādāja labu atbilstību starp fāzes modulācijas laika periodu un apaļo. optisko impulsu izslēgšanas laiks dobumā un izmantota dispersijas nobīde, lai panāktu labu atbilstību fāzes modulācijas laika periodam. Tāpēc pētījums arī bija paredzēts, lai panāktu labu atbilstību starp fāzes modulācijas laika periodu un optiskā impulsa turp un atpakaļ laiku dobumā, un izmantotu dispersiju, lai kompensētu uzkrāto čivināšanu un kompensētu optiskā impulsa zudumu, pamatojoties uz lāzera pastiprinājums un visbeidzot realizēt fāzes bloķēšanu, kā parādīts turpmākajos attēlos (BC); realizētā integrētā litija niobāta režīmā bloķēta mikroshēmas lāzera shematiskā diagramma ir parādīta nākamajā attēlā (D).
Bilde
Integrētā litija niobāta režīmā bloķēta mikroshēmas lāzera darbības princips un ierīces shēma.
Saskaņā ar pētnieku grupas teikto, ar savu lielo izejas maksimālo jaudu un precīzas frekvences kontroles spēju, ir paredzēts, ka režīmā bloķētais lāzers izveidos īpaši ātru nelineāru optisko sistēmu ar pilnīgu mikroshēmas integrāciju, tādējādi realizējot optiskās frekvences ķemmes, superkontinuuma gaismas avotus un atomu. pulksteņi ar pilnas frekvences bloķēšanu. Tas ievērojami atvieglos optisko sakaru, medicīniskās attēlveidošanas, precizitātes mērīšanas, skaitļošanas un citu jomu attīstību. "Ilgtermiņā mikroshēmas režīma bloķētajam lāzeram var būt neaizstājams pielietojums saskaņotas komunikācijas, precīzas laika noteikšanas un precizitātes mērījumu jomā."
Attēls.
Integrētā aktīvā režīma bloķētā lāzera pašreizējie regulēšanas analīzes rezultāti
Turklāt parastie cietvielu un šķiedru režīma lāzeri, kuru pamatā ir aktīvie režīma bloķēšanas mehānismi, var panākt režīma bloķēšanu tikai ierobežotā ārējo modulācijas frekvenču diapazonā, un, ja ārējā modulācijas frekvence pārsniedz attiecīgo diapazonu, lāzera izvades optiskais signāls. impulss zaudēs fiksētās fāzes attiecības (ti, tas zaudē saskaņotību). Kā parādīts iepriekš attēlā, salīdzinot ar parastajiem aktīvā režīma bloķētajiem lāzeriem, šajā pētījumā realizētajam integrētajam litija niobāta uz mikroshēmas režīma bloķētajam lāzeram ir liels regulējams impulsu atkārtošanās frekvences diapazons un tas spēj radīt koherentus optiskos impulsus. 200 MHz modulācijas frekvenču diapazons. Turklāt impulsa lāzera nesējfrekvenci un impulsu atkārtošanās frekvenci var būtiski mainīt, pielāgojot lāzera sūkņa strāvu vai modulācijas frekvenci. Tas nozīmē, ka ar režīma bloķēto lāzeru var manipulēt dažādos veidos. Precīzi kontrolējot lāzera sūkņa strāvu vai modulācijas frekvenci, var precīzi kontrolēt lāzera impulsa atkārtošanās frekvenci un nesējfrekvenci, tādējādi izveidojot optiskās frekvences ķemmi, kas var precīzi kontrolēt frekvenci, kam ir liela nozīme precīzas frekvences lietojumos. mērīšana.
Parastie pusvadītāju režīma lāzeri parasti integrē pastiprinājuma apgabalu un piesātināmo absorbētāju (režīmu bloķētu elementu) tajā pašā pusvadītāju mikroshēmā. Tribo-piecu pusvadītāju sarežģītās nesēja dinamikas dēļ lāzers var sasniegt tikai ļoti īsu impulsu ģenerēšanu ļoti šauri vadītā sūkņa strāvas darbības reģionā, kas neveicina lielas jaudas lāzera izejas realizāciju. Tomēr šis pētījums pilnībā atbrīvo tribo-piecu pusvadītāju lieljaudas izejas spēju, izmantojot plānslāņa litija niobātu kā aktīvo režīmu bloķējošo elementu.
Pamatojoties uz lieliskajām plānās kārtiņas litija niobāta īpašībām, komanda ir sasniegusi virkni rezultātu plānās kārtiņas litija niobāta, integrētās optikas un nelineārās optikas jomās. Piemēram, plānslāņa litija niobāta nanofotonikas otrās kārtas nelineārais optiskais efekts tika izmantots, lai līdz šim demonstrētu ātrāko (46 femtosekundes), īpaši zemas enerģijas (80 femtokinētiskās) visu optisko pārslēgšanos integrētā optikas platformā. Plānās kārtiņas litija niobāta platformā esam izveidojuši arī optisko parametrisko pastiprinātāju ar ļoti lielu pastiprinājumu (100 dB/cm) un ļoti lielu pastiprinājuma joslas platumu (600 nm), plašu ar frekvenci regulējamu optisko parametrisko oscilatoru klāstu un līdz šim augstākā kvantu kompresija (4,9 dB) integrētās optikas jomā.
Zinātnes redaktors Ians S. Osborns atzinīgi novērtēja pētījumu: "Režīmu bloķēšanas lāzeri ir progresīva tehnoloģija īpaši ātrā zinātnē, kas nodrošina frekvenču ķemmes ar īpaši īsiem koherentiem optiskiem impulsiem un precīzu atstarpi. Integrējot III-V pastiprināšanas vidi ar litija niobāta fāzes modulators, mēs esam pārvarējuši tradicionālo režīma bloķēto lāzeru izmēru ierobežojumus un esam izveidojuši režīmā bloķētu lāzeru ar izcilu veiktspēju, vienlaikus samazinot līdz mikroshēmas mērogam. Paredzams, ka šī pētījuma rezultāti būs praktiski pielietojami visprogresīvākajā jomā. jomas, piemēram, precizitātes mērījumi un spektroskopija."
