Forskare integrerar högpresterande laserlägeslås på nanofotoniskt chip för första gången

Användningen av laser i vardagen har blivit relativt vanligt, och det kan också vara ett viktigt verktyg för att observera, analysera och kvantifiera saker i naturen som är osynliga för blotta ögat – uppgifter som tyvärr tidigare har begränsats av behovet av att använda stora, dyra instrument.
Ett team av forskare från City University of New York och California Institute of Technology-teamet har experimentellt demonstrerat ett nytt sätt att tillverka högpresterande, ultrasnabba lasrar på nanofotoniska chips - de har demonstrerat världens första elektriskt pumpade lägeslåsta lasrar med hög topppulseffekt integrerad på tunnfilmslitiumniobatfotochips. Forskningen har nyligen publicerats som en omslagsartikel i tidskriften Science.
Forskningen är baserad på miniatyriserade lägeslåsta lasrar – som avger en unik laser som avger ett tåg av ultrakorta pulser av koherent ljus med femtosekunders intervall, enligt teamledaren Qiushi Guo.
Ultrasnabba lägeslåsta lasrar spelar en central roll i att reda ut mysterierna i naturens snabbaste tidsskalor, som inkluderar att studera bildandet och brytandet av molekylära bindningar i kemiska reaktioner och utforska dynamiken för ljusutbredning i turbulenta medier.
Det är utvecklingen av modlåsta lasrar, på grund av deras snabba pulstoppintensiteter och breda spektraltäckning, som också har drivit på utvecklingen av en mängd olika fotonikteknologier, inklusive optiska atomklockor, bioavbildning och ljusbaserad databeräkning i datorer.
Tyvärr är även dagens toppmoderna lägeslåsta lasrar fortfarande både dyra och strömkrävande, vilket har lett till att deras användning i stort sett begränsats till laboratoriemiljöer.
Målet för det tidigare nämnda teamet: att revolutionera området för ultrasnabb fotonik genom att omvandla stora laboratoriesystem till chip-stora system som kan masstillverkas och användas i fält. De vill bara göra saker mindre, men de vill också se till att dessa ultrasnabba lasrar i chipstorlek ger tillfredsställande prestanda. Till exempel behöver de tillräcklig topppulsintensitet, helst mer än 1 watt, för att bygga meningsfulla chip-skala system.
Men att realisera och integrera effektiva lägeslåsta lasrar på ett chip är en utmanande uppgift. Denna forskning använder tunnfilmslitiumniobat (TFLN), en innovativ materialplattform. Med detta material är det möjligt att exakt styra och effektivt bilda laserpulser genom att lägga till en extern elektrisk RF-signal.
I sina experiment kombinerade Guos team skickligt de höga laserförstärkningsegenskaperna hos III-V-halvledare med de mycket effektiva pulsformningsmöjligheterna hos TFLN nanofotoniska vågledare, vilket slutligen demonstrerade en laser med en uteffekt på upp till 0,5 watt .
Förutom sin kompakta storlek har den lägeslåsta lasern som de demonstrerade ett antal spännande nya funktioner som kan lova mycket för framtida applikationer.
Till exempel, genom att justera laserns pumpström, insåg Guo förmågan att finjustera utpulsrepetitionsfrekvensen över ett brett område av 200 MHz. Med hjälp av demonstrationslaserns robusta omkonfigurerbarhet hoppas teamet kunna underlätta chip-skala, frekvensstabiliserade kamkällor, som är avgörande för precisionsavkänningstillämpningar.
Samtidigt som att förverkliga skalbara, integrerade, ultrasnabba fotoniska system för bärbara och handhållna enheter innebär ytterligare utmaningar för Kuos team, markerar den aktuella demonstrationen en viktig milstolpe för att övervinna stora hinder.
Denna prestation banar väg för att använda mobiltelefoner för att diagnostisera ögonsjukdomar eller analysera E. coli och farliga virus i mat och miljö. Det kan också hjälpa till att skapa framtidens atomklockor i chipskala, vilket möjliggör navigering när GPS är skadad eller otillgänglig.
Forskare har övervunnit ett stort hinder med denna senaste demonstration. Ändå ser forskare nu fram emot att ta sig an de ytterligare hindren för att utveckla skalbara, integrerade, ultrasnabba fotoniska system som kan användas på bärbara och handhållna enheter.