Kürzlich veröffentlichte das Team um Qiu-Shi Guo von der City University of New York und Alireza Marandi vom California Institute of Technology einen Artikel mit dem Titel „Ultrafast Mode-Locked Laser in Nanophotonic Lithium Niobate“ in der Zeitschrift Science. „Das Team kombinierte geschickt die hohe Laserverstärkung von III-V-Halbleitern mit den hervorragenden elektrooptischen Eigenschaften von Dünnschicht-Lithiumniobat und stellte durch Hybridintegration einen elektrisch gepumpten modengekoppelten Laser mit hoher Spitzenimpulsleistung her, der eine Wiederholung aufweist.“ Frequenz von 10 GHz nahe 1065 nm, eine optische Pulsbreite von 4,8 ps, eine Pulsenergie von mehr als 5 pJ und eine Spitzenleistung von mehr als 0,5 pJ. pJ und Peak Leistung von mehr als 0,5 W. Darüber hinaus haben seine Laserausgangsimpulsenergie und Spitzenleistung das höchste Niveau modengekoppelter Laser unter der Nanophotonik-Plattform erreicht.
Lithiumniobat-Kristallmaterial ist ein seltenes künstliches Kristallmaterial, das piezoelektrische, elektrooptische, akusto-optische, photoelastische, nichtlineare, photorefraktive und laseraktive Effekte usw. kombiniert. Zusammen mit den Vorteilen stabiler mechanischer Eigenschaften, einfacher Verarbeitung und hoher Temperaturbeständigkeit , Korrosionsbeständigkeit, reichlich vorhandene Rohstoffquellen, niedriger Preis und einfache Züchtung zu großen Kristallen, insbesondere nach der Implementierung verschiedener Dotierstoffe, die eine Vielzahl besonderer Eigenschaften aufweisen können, sind dies die umfassendsten und umfassendsten photonischen Eigenschaften, die bisher entdeckt wurden . Es ist der Kristall mit den meisten photonischen Eigenschaften und den besten umfassenden Indizes, die bisher von Menschen entdeckt wurden, und hat eine sehr breite Marktanwendungsaussicht. Daher ist es im photonischen Zeitalter auch als „optisches Silizium“-Material bekannt und wird häufig in Hochleistungsfiltern, elektrooptischen Geräten, holografischen Speichern, holografischen 3D-Displays, nichtlinearen optischen Geräten und optischer Quantenkommunikation verwendet.
Modengekoppelte Laser sind in der Lage, intensive, kohärente, ultrakurze optische Impulse auf Pikosekunden- und Femtosekunden-Zeitskalen zu erzeugen und können daher Anwendungen in hochmodernen Bereichen wie der extremen nichtlinearen Optik, optischen Atomuhren, optischen Frequenzkämmen, Bio-Imaging usw. realisieren. und photonisches Rechnen. Allerdings haben die aktuellen herkömmlichen modengekoppelten Laser die Nachteile eines hohen Preises, eines hohen Stromverbrauchs und einer großen Größe, und es wird erwartet, dass die modengekoppelten Laser, die auf der heterogenen Integration von III-V-Halbleitern mit nanophotonischen Plattformen aus Lithiumniobat basieren, eine höhere Ausgangsleistung erreichen und eine höhere Abstimmbarkeit, sodass die damit verbundenen Technologien große Aufmerksamkeit von Forschern auf sich gezogen haben.
Mit Blick auf den technologischen Engpass im Bereich der modengekoppelten Laser hat das Forschungsteam die Größenbeschränkung herkömmlicher modengekoppelter Laser durch die Integration eines III-V-Verstärkungsmediums und eines Lithiumniobat-Phasenmodulators durchbrochen und modengekoppelte Laser realisiert mit hervorragender Leistung bei gleichzeitiger Verkleinerung auf Chip-Niveau.
Modengekoppelte Laser können in zwei Mechanismen unterteilt werden: passive Modenkopplung und aktive Modenkopplung. Wie in Abbildung (A) unten gezeigt, fügten die Autoren zur Realisierung einer aktiven Modenkopplung des Lasers einen elektrooptischen Phasenmodulator auf Basis von Dünnschicht-Lithiumniobat in den Laserresonator ein; Da sich der Brechungsindex von Lithiumniobat unter dem elektrooptischen Effekt periodisch ändert, was dazu führt, dass die optischen Impulse keinen stabilen Zustand innerhalb des Hohlraums aufrechterhalten können, hat das Forschungsteam auch eine gute Übereinstimmung zwischen der Phasenmodulationszeitperiode und der Rundung entwickelt. Die Laufzeit der optischen Impulse innerhalb des Hohlraums wurde optimiert und die Dispersionsversetzung genutzt, um eine gute Übereinstimmung mit der Phasenmodulationszeitspanne zu erreichen. Daher zielte die Forschung auch darauf ab, eine gute Übereinstimmung zwischen der Phasenmodulationszeitperiode und der Umlaufzeit des optischen Impulses im Hohlraum zu erreichen und die Dispersion zum Ausgleich des akkumulierten Chirps zu nutzen und den Verlust des optischen Impulses basierend darauf zu kompensieren Laserverstärkung und schließlich Realisierung der Phasenverriegelung, wie in den folgenden Abbildungen (BC) dargestellt; Das schematische Diagramm des realisierten integrierten modengekoppelten Lithiumniobat-On-Chip-Lasers ist in der folgenden Abbildung (D) dargestellt.
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Funktionsprinzip und Geräteschema des integrierten modengekoppelten Lithiumniobat-On-Chip-Lasers.
Nach Angaben des Forschungsteams soll der modengekoppelte Laser mit seiner hohen Ausgangsspitzenleistung und der Fähigkeit zur präzisen Frequenzsteuerung ein ultraschnelles nichtlineares optisches System mit vollständiger On-Chip-Integration aufbauen und so optische Frequenzkämme, Superkontinuumslichtquellen und atomare Lichtquellen realisieren Uhren mit voller Frequenzverriegelung. Dies wird die Entwicklung der optischen Kommunikation, der medizinischen Bildgebung, der Präzisionsmessung, der Informatik und anderer Bereiche erheblich erleichtern. „Langfristig könnte der On-Chip-Modenkopplungslaser unersetzliche Anwendungen in den Bereichen kohärente Kommunikation, Präzisions-Timing und Präzisionsmessung haben.“
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Aktuelle Tuning-Analyseergebnisse des integrierten aktiven modengekoppelten Lasers
Darüber hinaus können herkömmliche Festkörper- und Faser-Modenkopplungslaser, die auf aktiven Modenkopplungsmechanismen basieren, eine Modenkopplung nur innerhalb eines begrenzten Bereichs externer Modulationsfrequenzen erreichen, und wenn die externe Modulationsfrequenz den relevanten Bereich überschreitet, wird der Laserausgang optisch Der Impuls verliert seine feste Phasenbeziehung (dh er verliert seine Kohärenz). Wie in der Abbildung oben gezeigt, verfügt der in dieser Studie realisierte integrierte modengekoppelte Lithiumniobat-On-Chip-Laser im Vergleich zu herkömmlichen aktiven modengekoppelten Lasern über einen großen einstellbaren Bereich der Impulswiederholungsfrequenz und ist in der Lage, kohärente optische Impulse zu erzeugen 200 MHz Modulationsfrequenzbereich. Darüber hinaus können Trägerfrequenz und Pulswiederholungsfrequenz des gepulsten Lasers durch Anpassung des Pumpstroms oder der Modulationsfrequenz des Lasers deutlich verändert werden. Dies bedeutet, dass der modengekoppelte Laser auf vielfältige Weise manipuliert werden kann. Durch die präzise Rückkopplungssteuerung des Pumpstroms oder der Modulationsfrequenz des Lasers können die Pulswiederholungsfrequenz und die Trägerfrequenz des Lasers präzise gesteuert werden, wodurch ein optischer Frequenzkamm realisiert wird, der die Frequenz präzise steuern kann, was für Anwendungen mit präziser Frequenz von großer Bedeutung ist Messung.
Herkömmliche modengekoppelte Halbleiterlaser integrieren typischerweise den Verstärkungsbereich und den sättigbaren Absorber (modegekoppeltes Element) auf demselben Halbleiterchip. Aufgrund der komplexen Trägerdynamik des Tribo-Five-Halbleiters kann der Laser die Erzeugung ultrakurzer Impulse nur in einem sehr eng gesteuerten Pumpstrom-Betriebsbereich erreichen, was der Realisierung einer Hochleistungslaserleistung nicht förderlich ist. Diese Studie bringt jedoch die hohe Leistungsabgabefähigkeit des Tribo-Five-Halbleiters durch die Verwendung von Dünnschicht-Lithiumniobat als aktives Modenkopplungselement voll zur Geltung.
Basierend auf den hervorragenden Eigenschaften von Dünnschicht-Lithiumniobat hat das Team eine Reihe von Ergebnissen in den Bereichen Dünnschicht-Lithiumniobat, integrierte Optik und nichtlineare Optik erzielt. Beispielsweise wurde der nichtlineare optische Effekt zweiter Ordnung der Dünnschicht-Lithiumniobat-Nanophotonik genutzt, um das bislang schnellste (46 Femtosekunden) und extrem energieeffiziente (80 Femtokinetik) rein optische Schalten auf einer integrierten Optikplattform zu demonstrieren. Auf der Dünnschicht-Lithiumniobat-Plattform haben wir außerdem einen optischen parametrischen Verstärker mit sehr hoher Verstärkung (100 dB/cm) und sehr großer Verstärkungsbandbreite (600 nm), einen weiten Bereich frequenzabstimmbarer optischer parametrischer Oszillatoren realisiert bisher höchste Quantenkompression (4,9 dB) im Bereich der integrierten Optik.
Ian S. Osborne, Herausgeber von Science, lobte die Forschung: „Modengekoppelte Laser sind eine Spitzentechnologie in der ultraschnellen Wissenschaft und ermöglichen Frequenzkämme mit ultrakurzen kohärenten optischen Impulsen und präzisen Abständen. Durch die Integration eines III-V-Verstärkungsmediums mit einem Mit dem Lithiumniobat-Phasenmodulator haben wir die Größenbeschränkungen herkömmlicher modengekoppelter Laser durchbrochen und einen modengekoppelten Laser mit hervorragender Leistung bei gleichzeitiger Verkleinerung auf die Chip-Größe realisiert. Die Ergebnisse dieser Forschung werden voraussichtlich praktische Anwendungen in der Spitzentechnologie haben Bereichen wie Präzisionsmessung und Spektroskopie.
