Nyligen publicerade teamet av Qiu-Shi Guo från City University of New York och Alireza Marandi från California Institute of Technology en artikel med titeln "Ultrafast mode-locked laser in nanophotonic lithium niobate" i tidskriften Science. "Teamet kombinerade skickligt den höga laserförstärkningen hos III-V-halvledare med de utmärkta elektrooptiska egenskaperna hos tunnfilmslitiumniobat och tillverkade en elektriskt pumpad lägeslåst laser med en hög topppulseffekt genom hybridintegration, som har en upprepning frekvens på 10 GHz nära 1065 nm, en optisk pulsbredd på 4,8 ps, en pulsenergi på mer än 5 pJ och en toppeffekt på mer än 0,5 pJ. pJ och topp effekt större än 0,5 W. Dessutom har dess laserutgångspulsenergi och toppeffekt nått den högsta nivån av modlåsta lasrar under nanofotonikplattformen.
Litiumniobatkristallmaterial är ett sällsynt artificiellt kristallmaterial som kombinerar piezoelektriska, elektrooptiska, akustooptiska, fotoelastiska, olinjära, fotorefraktiva och laseraktiva effekter etc. Tillsammans med fördelarna med stabila mekaniska egenskaper, enkel bearbetning, hög temperaturbeständighet , korrosionsbeständighet, rikliga råmaterialkällor, lågt pris och lätt att odla till stora kristaller, särskilt efter implementeringen av olika dopämnen kan visa en mängd speciella egenskaper, det är de mest omfattande och heltäckande fotonikegenskaperna som har upptäckts hittills . Det är kristallen med de flesta fotoniska egenskaperna och de bästa heltäckande indexen som människor har upptäckt hittills och har en mycket bred marknadstillämpning. Därför är det också känt som det "optiska kisel"-materialet i den fotoniska eran och används ofta i högpresterande filter, elektrooptiska enheter, holografisk lagring, 3D-holografiska skärmar, icke-linjära optiska enheter och optisk kvantkommunikation.
Modelåsta lasrar kan generera intensiva, koherenta, ultrakorta optiska pulser på pikosekunds- och femtosekundsskalor, och kan således realisera tillämpningar i sådana banbrytande områden som extrem olinjär optik, optiska atomklockor, optiska frekvenskammar, bioavbildning, och fotonisk beräkning. De nuvarande konventionella modlåsta lasrarna har dock nackdelarna med högt pris, hög strömförbrukning och stor storlek, och de modlåsta lasrarna baserade på heterogen integration av III-V-halvledare med litiumniobat nanofotoniska plattformar förväntas uppnå högre uteffekt och högre tunerbarhet, så de relaterade teknologierna har väckt stor uppmärksamhet från forskare.
Med sikte på den tekniska flaskhalsen inom området för modlåsta lasrar, har forskargruppen brutit igenom storleksbegränsningen för traditionella modlåsta lasrar genom att integrera ett III-V-förstärkningsmedium och en litiumniobatfasmodulator, och realiserade modlåsta lasrar med utmärkt prestanda samtidigt som storleken krymper till chipnivån.
Lägeslåsta lasrar kan delas in i två mekanismer: passiv lägeslåsning och aktiv lägeslåsning. Som visas i figur (A) nedan, för att realisera aktiv modlåsning av lasern, lade författarna till en elektro-optisk fasmodulator baserad på tunnfilmslitiumniobat inuti laserresonanshåligheten; eftersom brytningsindexet för litiumniobat ändras periodiskt under den elektrooptiska effekten, vilket resulterar i att de optiska pulserna inte kan upprätthålla ett stabilt tillstånd inuti kaviteten, utformade forskargruppen också en bra matchning mellan fasmoduleringsperioden och rund- utlösningstid för de optiska pulserna inuti kaviteten, och använde dispersionsförskjutning för att uppnå en bra matchning med fasmoduleringstidsperioden. Därför har forskningen också utformats för att uppnå en bra matchning mellan fasmoduleringstidsperioden och den optiska pulsens tur och retur-tid i kaviteten, och använda dispersionen för att kompensera det ackumulerade chirpen och kompensera den optiska pulsförlusten baserat på laserförstärkning, och slutligen realisera faslåsningen, som visas i följande figurer (BC); det schematiska diagrammet för den realiserade integrerade litiumniobat-modlåsta on-chip-lasern visas i följande figur (D).
Bild
Funktionsprincip och enhetsschema för den integrerade litiumniobat-modlåsta on-chip-lasern.
Enligt forskargruppen förväntas den lägeslåsta lasern med sin höga uteffekt och exakta frekvensstyrningsförmåga bygga ett ultrasnabbt olinjärt optiskt system med full integration på chipet, och på så sätt realisera optiska frekvenskammar, superkontinuumljuskällor och atomic klockor med fullfrekvenslåsning. Detta kommer att avsevärt underlätta utvecklingen av optisk kommunikation, medicinsk bildbehandling, precisionsmätning, datoranvändning och andra områden. "På längre sikt kan den on-chip-modlåsta lasern ha oersättliga tillämpningar inom områdena koherent kommunikation, precisionstid och precisionsmätning."
Bild.
Aktuella avstämningsanalysresultat av den integrerade aktiva lägeslåsta lasern
Dessutom kan konventionella halvledar- och fibermodlåsta lasrar baserade på aktiva lägeslåsningsmekanismer endast uppnå lägeslåsning inom ett begränsat område av externa moduleringsfrekvenser, och när den externa moduleringsfrekvensen överstiger det relevanta området, är laserutgången optisk puls kommer att förlora sitt fasta fasförhållande (dvs. den förlorar koherens). Som visas i figuren ovan, jämfört med konventionella aktiva lägeslåsta lasrar, har den integrerade litiumniobat på chip lägelåsta lasern som realiserats i denna studie ett stort inställbart intervall av pulsrepetitionsfrekvens och kan generera koherenta optiska pulser i 200 MHz moduleringsfrekvensområde. Dessutom kan bärvågsfrekvensen och pulsrepetitionsfrekvensen för den pulsade lasern ändras avsevärt genom att justera pumpströmmen eller modulationsfrekvensen för lasern. Detta innebär att den lägeslåsta lasern kan manipuleras på en mängd olika sätt. Genom att exakt återkoppla laserns pumpström eller moduleringsfrekvens kan laserns pulsrepetitionsfrekvens och bärfrekvens styras exakt, och på så sätt realisera en optisk frekvenskam som exakt kan styra frekvensen, vilket är av stor betydelse för tillämpningar i exakt frekvens mått.
Konventionella halvledarmodlåsta lasrar integrerar typiskt förstärkningsområdet och mättningsbar absorbator (modlåst element) på samma halvledarchip. På grund av den komplexa bärardynamiken hos tribo-five-halvledaren kan lasern endast åstadkomma ultrakort pulsgenerering i ett mycket snävt driven pumpströmsdriftsområde, vilket inte är gynnsamt för realiseringen av laserutmatning med hög effekt. Emellertid frigör denna studie helt den höga effektkapaciteten hos tribo-five-halvledaren genom att använda tunnfilmslitiumniobat som ett aktivt lägeslåsande element.
Baserat på de utmärkta egenskaperna hos tunnfilmslitiumniobat har teamet uppnått en rad resultat inom områdena tunnfilmslitiumniobat, integrerad optik och olinjär optik. Till exempel användes den andra ordningens olinjära optiska effekten av tunnfilmslitiumniobat nanofotonik för att demonstrera den snabbaste (46 femtosekunder), ultralågenergi (80 femtokinetisk) helt optisk omkoppling på en integrerad optikplattform hittills. På tunnfilmslitiumniobatplattformen har vi också realiserat en optisk parametrisk förstärkare med mycket hög förstärkning (100 dB/cm) och mycket stor förstärkningsbandbredd (600 nm), ett brett utbud av frekvensavstämbara optiska parametriska oscillatorer, och högsta kvantkompression (4,9 dB) inom området integrerad optik hittills.
Ian S. Osborne, redaktör för Science, berömde forskningen: "Mode-locked lasrar är en banbrytande teknik inom ultrasnabb vetenskap, som möjliggör frekvenskammar med ultrakorta koherenta optiska pulser och exakt avstånd. Genom att integrera ett III-V-förstärkningsmedium med en litiumniobatfasmodulator, har vi brutit igenom storleksbegränsningarna för konventionella lägeslåsta lasrar och realiserat en lägeslåst laser med utmärkt prestanda samtidigt som den minskar till chipskalan. Resultaten av denna forskning förväntas ha praktiska tillämpningar i banbrytande områden som precisionsmätning och spektroskopi."
