Recentment, l'equip de Qiu-Shi Guo de la Universitat de la Ciutat de Nova York i Alireza Marandi de l'Institut Tecnològic de Califòrnia va publicar un article titulat "Làser amb bloqueig en mode ultra ràpid en niobat de liti nanofotònic" a la revista Science. "L'equip va combinar intel·ligentment l'elevat guany làser dels semiconductors III-V amb les excel·lents propietats electro-òptiques del niobat de liti de pel·lícula fina i va fabricar un làser bloquejat en mode bombat elèctricament amb una potència de pols màxima alta mitjançant la integració híbrida, que té una repetició. freqüència d'10 GHz prop d'1065 nm, una amplada de pols òptic de 4,8 ps, una energia de pols de més de 5 pJ i una potència màxima de més de 0,5 pJ. pJ i pic potència superior a 0,5 W. A més, la seva energia de pols de sortida de làser i la potència màxima han assolit el nivell més alt de làsers bloquejats en mode sota la plataforma nanofotònica.
El material de cristall de niòbat de liti és un material de cristall artificial rar que combina efectes piezoelèctrics, electro-òptics, acústics, fotoelàstics, no lineals, fotorefractius i làser actius, etc. Juntament amb els avantatges de propietats mecàniques estables, fàcil processament, resistència a altes temperatures , resistència a la corrosió, fonts abundants de matèries primeres, preu baix i fàcil de créixer en grans cristalls, especialment després de la implementació de diferents dopants poden mostrar una varietat de propietats especials, és la propietat fotònica més completa i completa que s'ha descobert fins ara . És el cristall amb més propietats fotòniques i els millors índexs complets descoberts per la gent fins ara, i té una perspectiva d'aplicació al mercat molt àmplia. Per tant, també es coneix com el material de "silici òptic" a l'era fotònica i s'utilitza àmpliament en filtres d'alt rendiment, dispositius electroòptics, emmagatzematge hologràfic, pantalles hologràfiques 3D, dispositius òptics no lineals i comunicació quàntica òptica.
Els làsers amb mode de bloqueig són capaços de generar polsos òptics intensos, coherents i ultracurts a escales de temps de picosegons i femtosegons i, per tant, poden realitzar aplicacions en camps d'avantguarda com òptica no lineal extrema, rellotges atòmics òptics, pintes de freqüència òptica, bioimatge, etc. i informàtica fotònica. No obstant això, els làsers de mode de bloqueig convencionals actuals tenen els desavantatges d'un preu elevat, un alt consum d'energia i una gran mida, i s'espera que els làsers de mode bloquejat basats en la integració heterogènia de semiconductors III-V amb plataformes nanofotòniques de niobat de liti assoleixin una potència de sortida més alta. i una sintonització més alta, de manera que les tecnologies relacionades han atret una gran atenció dels investigadors.
Amb l'objectiu del coll d'ampolla tecnològic en el camp dels làsers amb mode de bloqueig, l'equip d'investigació ha superat la limitació de mida dels làsers tradicionals amb mode bloquejat mitjançant la integració d'un mitjà de guany III-V i un modulador de fase de niobat de liti, i ha realitzat làsers de mode bloquejat. amb un rendiment excel·lent mentre es redueix la mida al nivell de xip.
Els làsers de mode bloquejat es poden dividir en dos mecanismes: bloqueig de mode passiu i bloqueig de mode actiu. Tal com es mostra a la figura (A) següent, per realitzar el bloqueig del mode actiu del làser, els autors van afegir un modulador de fase electro-òptica basat en niobat de liti de pel·lícula fina dins de la cavitat ressonant làser; atès que l'índex de refracció del niobat de liti canvia periòdicament sota l'efecte electro-òptic, cosa que fa que els polsos òptics no mantinguin un estat estacionari dins de la cavitat, l'equip d'investigació també va dissenyar una bona coincidència entre el període de temps de modulació de fase i el període rodó. temps de viatge dels polsos òptics dins de la cavitat i va utilitzar la compensació de dispersió per aconseguir una bona coincidència amb el període de temps de modulació de fase. Per tant, la investigació també està dissenyada per aconseguir una bona coincidència entre el període de temps de modulació de fase i el temps d'anada i tornada del pols òptic a la cavitat, i utilitzar la dispersió per compensar el xip acumulat i compensar la pèrdua de pols òptic en funció del guany làser, i finalment realitzar el bloqueig de fase, tal com es mostra a les figures següents (BC); a la figura següent (D) es mostra el diagrama esquemàtic del làser integrat en xip de niobat de liti integrat.
Imatge
Principi de funcionament i esquema del dispositiu del làser integrat en el xip amb mode de niobat de liti.
Segons l'equip d'investigació, amb la seva potència màxima de sortida alta i la seva capacitat de control de freqüència precisa, s'espera que el làser de mode bloquejat construeixi un sistema òptic no lineal ultraràpid amb una integració completa al xip, aconseguint així pintes de freqüència òptica, fonts de llum supercontinu i atòmics. rellotges amb bloqueig de freqüència total. Això facilitarà molt el desenvolupament de les comunicacions òptiques, la imatge mèdica, la mesura de precisió, la informàtica i altres camps. "A llarg termini, el làser bloquejat en mode en xip pot tenir aplicacions insubstituïbles en els camps de les comunicacions coherents, el temps de precisió i la mesura de precisió".
Imatge.
Resultats actuals de l'anàlisi de sintonització del làser integrat en mode actiu
A més, els làsers convencionals de mode de fibra i d'estat sòlid basats en mecanismes de bloqueig de mode actiu només poden aconseguir el bloqueig del mode dins d'un rang limitat de freqüències de modulació externa, i quan la freqüència de modulació externa supera el rang rellevant, la sortida làser òptica. pols perdrà la seva relació de fase fixa (és a dir, perd coherència). Com es mostra a la figura anterior, en comparació amb els làsers bloquejats en mode actiu convencionals, el làser integrat en mode de niobat de liti realitzat en aquest estudi té un gran rang ajustable de freqüència de repetició de pols i és capaç de generar polsos òptics coherents en el Interval de freqüència de modulació de 200 MHz. A més, la freqüència de la portadora i la freqüència de repetició del pols del làser polsat es poden canviar significativament ajustant el corrent de la bomba o la freqüència de modulació del làser. Això significa que el làser bloquejat en mode es pot manipular de diverses maneres. Mitjançant la retroalimentació que controla amb precisió el corrent de la bomba del làser o la freqüència de modulació, la freqüència de repetició del pols i la freqüència portadora del làser es poden controlar amb precisió, aconseguint així una pinta de freqüència òptica que pot controlar amb precisió la freqüència, que és de gran importància per a aplicacions en freqüència precisa. mesura.
Els làsers de mode de bloqueig de semiconductors convencionals solen integrar la regió de guany i l'absorbidor saturable (element de bloqueig de mode) al mateix xip de semiconductor. A causa de la complexa dinàmica del portador del semiconductor tribo-cinc, el làser només pot aconseguir la generació de polsos ultracurts en una regió operativa de corrent de bomba molt estreta, cosa que no afavoreix la realització d'una sortida làser d'alta potència. Tanmateix, aquest estudi allibera completament la capacitat de sortida d'alta potència del semiconductor tribo-cinc mitjançant l'ús de niobat de liti de pel·lícula prima com a element de bloqueig de mode actiu.
A partir de les excel·lents propietats del niobat de liti de pel·lícula prima, l'equip ha aconseguit una sèrie de resultats en els camps del niobat de liti de pel·lícula prima, òptica integrada i òptica no lineal. Per exemple, l'efecte òptic no lineal de segon ordre de la nanofotònica de niobat de liti de pel·lícula prima es va utilitzar per demostrar la commutació òptica més ràpida (46 femtosegons), d'energia ultra baixa (80 femtocinètica) en una plataforma òptica integrada fins ara. A la plataforma de niòbat de liti de pel·lícula prima, també hem realitzat un amplificador òptic paramètric amb un guany molt elevat (100 dB/cm) i una amplada de banda de guany molt gran (600 nm), una àmplia gamma d'oscil·ladors paramètrics òptics ajustables en freqüència i el la compressió quàntica més alta (4,9 dB) en el camp de l'òptica integrada fins ara.
Ian S. Osborne, editor de Science, va elogiar la investigació: "Els làsers amb mode de bloqueig són una tecnologia d'avantguarda en la ciència ultraràpida, que permeten pintes de freqüència amb polsos òptics coherents ultracurts i un espai precís. En integrar un mitjà de guany III-V amb un modulador de fase de niobat de liti, hem superat les limitacions de mida dels làsers convencionals amb mode bloquejat i hem realitzat un làser amb mode bloquejat amb un rendiment excel·lent mentre es redueix la mida a l'escala del xip. S'espera que els resultats d'aquesta investigació tinguin aplicacions pràctiques en l'avantguarda. camps com ara la mesura de precisió i l'espectroscòpia".
