For nylig offentliggjorde holdet af Qiu-Shi Guo fra City University of New York og Alireza Marandi fra California Institute of Technology en artikel med titlen "Ultrafast mode-locked laser in nanophotonic lithium niobate" i tidsskriftet Science. "Teamet kombinerede smart den høje laserforstærkning af III-V-halvledere med de fremragende elektro-optiske egenskaber af tyndfilmslithiumniobat og fremstillede en elektrisk pumpet tilstandslåst laser med en høj spidspulseffekt gennem hybridintegration, som har en gentagelse frekvens på 10 GHz nær 1065 nm, en optisk pulsbredde på 4,8 ps, en pulsenergi på mere end 5 pJ og en spidseffekt på mere end 0,5 pJ. pJ og peak effekt større end 0,5 W. Desuden har dens laserudgangspulsenergi og spidseffekt nået det højeste niveau af tilstandslåste lasere under nanofotonik-platformen.
Lithiumniobat krystalmateriale er et sjældent kunstigt krystalmateriale, der kombinerer piezoelektriske, elektro-optiske, akusto-optiske, fotoelastiske, ikke-lineære, fotorefraktive og laseraktive effekter osv. Sammen med fordelene ved stabile mekaniske egenskaber, nem behandling, høj temperaturbestandighed , korrosionsbestandighed, rigelige råmaterialekilder, lav pris og let at vokse til store krystaller, især efter implementeringen af forskellige dopingmidler kan vise en række specielle egenskaber, det er de mest omfattende og omfattende fotonikegenskaber, der er blevet opdaget hidtil . Det er den krystal med de fleste fotoniske egenskaber og de bedste omfattende indekser, der er opdaget af folk hidtil, og har en meget bred markedsanvendelse. Derfor er det også kendt som det "optiske silicium" materiale i den fotoniske æra og er meget udbredt i højtydende filtre, elektro-optiske enheder, holografisk lagring, 3D holografiske skærme, ikke-lineære optiske enheder og optisk kvantekommunikation.
Mode-locked lasere er i stand til at generere intense, kohærente, ultrakorte optiske impulser på picosekund og femtosekund tidsskalaer og kan således realisere applikationer i sådanne banebrydende felter som ekstrem ikke-lineær optik, optiske atomure, optiske frekvenskamme, bio-billeddannelse, og fotonisk databehandling. Imidlertid har de nuværende konventionelle modelåste lasere ulemperne ved høj pris, højt strømforbrug og stor størrelse, og de modelåste lasere baseret på heterogen integration af III-V halvledere med lithium niobat nanofotoniske platforme forventes at opnå højere udgangseffekt og højere tunbarhed, så de relaterede teknologier har tiltrukket sig stor opmærksomhed fra forskere.
Med henblik på den teknologiske flaskehals inden for modelåste lasere har forskerholdet brudt gennem størrelsesbegrænsningen af traditionelle modelåste lasere ved at integrere et III-V-forstærkningsmedium og en lithiumniobatfasemodulator og realiserede modelåste lasere med fremragende ydeevne, samtidig med at størrelsen krymper til chipniveauet.
Mode-locked lasere kan opdeles i to mekanismer: passiv mode-locking og aktiv mode-locking. Som vist i figur (A) nedenfor, for at realisere aktiv tilstandslåsning af laseren, tilføjede forfatterne en elektro-optisk fasemodulator baseret på tyndfilmslithiumniobat inde i laserresonanshulrummet; da brydningsindekset for lithiumniobat ændres periodisk under den elektro-optiske effekt, hvilket resulterer i, at de optiske impulser ikke kan opretholde en stabil tilstand inde i hulrummet, designet forskerholdet også et godt match mellem fasemodulationsperioden og rund- udløsningstid for de optiske impulser inde i hulrummet, og udnyttede dispersionsforskydning for at opnå et godt match med fasemodulationstidsperioden. Derfor er forskningen også designet til at opnå et godt match mellem fasemodulationstidsperioden og den optiske pulss tur-retur-tid i hulrummet og bruge spredningen til at udligne den akkumulerede chirp og kompensere det optiske pulstab baseret på laserforstærkning og endelig realisere faselåsningen, som vist i de følgende figurer (BC); det skematiske diagram af den realiserede integrerede lithiumniobat mode-låste on-chip laser er vist i den følgende figur (D).
Billede
Driftsprincip og enhedsdiagram af den integrerede lithium niobate mode-locked on-chip laser.
Ifølge forskerholdet forventes den tilstandslåste laser med sin høje udgangsspidseffekt og præcise frekvensstyringsevne at bygge et ultrahurtigt ikke-lineært optisk system med fuld on-chip-integration og dermed realisere optiske frekvenskamme, superkontinuum lyskilder og atomarter. ure med fuld frekvens låsning. Dette vil i høj grad lette udviklingen af optisk kommunikation, medicinsk billedbehandling, præcisionsmåling, databehandling og andre områder. "På længere sigt kan den on-chip mode-låste laser have uerstattelige applikationer inden for sammenhængende kommunikation, præcisionstid og præcisionsmåling."
Billede.
Aktuelle tuning analyseresultater af den integrerede aktive mode-locked laser
Derudover kan konventionelle solid-state og fiber mode-låste lasere baseret på aktive mode-låsemekanismer kun opnå mode-locking inden for et begrænset område af eksterne modulationsfrekvenser, og når den eksterne modulationsfrekvens overstiger det relevante område, er laseroutput optisk puls vil miste sit faste faseforhold (dvs. den mister kohærens). Som vist i figuren ovenfor, sammenlignet med konventionelle aktive mode-låste lasere, har den integrerede lithium niobate on-chip mode-locked laser realiseret i denne undersøgelse et stort tunerbart område af pulsgentagelsesfrekvens og er i stand til at generere kohærente optiske impulser i 200 MHz modulationsfrekvensområde. Derudover kan bærefrekvensen og pulsgentagelsesfrekvensen for den pulserede laser ændres væsentligt ved at justere pumpestrømmen eller modulationsfrekvensen af laseren. Dette betyder, at den tilstandslåste laser kan manipuleres på en række forskellige måder. Ved præcis feedback-styring af laserens pumpestrøm eller modulationsfrekvens kan laserens pulsgentagelsesfrekvens og bærefrekvens styres præcist, og dermed realiseres en optisk frekvenskam, der præcist kan styre frekvensen, hvilket er af stor betydning for applikationer i præcis frekvens måling.
Konventionelle halvledertilstandslåste lasere integrerer typisk forstærkningsområdet og mættende absorber (modelåst element) på den samme halvlederchip. På grund af tribo-fem-halvlederens komplekse bæredynamik kan laseren kun opnå ultrakort pulsgenerering i et meget snævert drevet pumpestrømsdriftsområde, hvilket ikke er befordrende for realiseringen af højeffekt laseroutput. Imidlertid frigør denne undersøgelse fuldt ud tribo-five-halvlederens høje effektudgangsevne ved at bruge tyndfilmslithiumniobat som et aktivt tilstandslåsende element.
Baseret på de fremragende egenskaber ved tyndfilmslithiumniobat har holdet opnået en række resultater inden for områderne tyndfilmslithiumniobat, integreret optik og ikke-lineær optik. For eksempel blev den anden-ordens ikke-lineære optiske effekt af tyndfilms lithiumniobat-nanofotonik brugt til at demonstrere den hurtigste (46 femtosekunder), ultra-lavenergi (80 femtokinetisk) helt optiske skift på en integreret optikplatform til dato. På tyndfilms lithiumniobat-platformen har vi også realiseret en optisk parametrisk forstærker med meget høj forstærkning (100 dB/cm) og meget stor forstærkningsbåndbredde (600 nm), en bred vifte af frekvensjusterbare optiske parametriske oscillatorer, og højeste kvantekompression (4,9 dB) inden for integreret optik til dato.
Ian S. Osborne, redaktør af Science, roste forskningen: "Mode-låste lasere er en banebrydende teknologi inden for ultrahurtig videnskab, der muliggør frekvenskamme med ultrakorte kohærente optiske impulser og præcis afstand. Ved at integrere et III-V forstærkningsmedium med en lithium niobat fasemodulator, har vi brudt gennem størrelsesbegrænsningerne for konventionelle mode-låste lasere og realiseret en mode-locked laser med fremragende ydeevne, mens vi reducerer til chip-skalaen. Resultaterne af denne forskning forventes at have praktiske anvendelser i banebrydende felter såsom præcisionsmåling og spektroskopi."
