Recentemente, il team formato da Qiu-Shi Guo della City University di New York e Alireza Marandi del California Institute of Technology ha pubblicato un articolo intitolato "Laser con modalità bloccata ultraveloce nel niobato di litio nanofotonico" sulla rivista Science. "Il team ha abilmente combinato l'elevato guadagno laser dei semiconduttori III-V con le eccellenti proprietà elettro-ottiche del niobato di litio a film sottile e ha fabbricato un laser mode-locked pompato elettricamente con un'elevata potenza di impulso di picco attraverso l'integrazione ibrida, che ha una ripetizione frequenza di 10 GHz vicino a 1065 nm, un'ampiezza dell'impulso ottico di 4,8 ps, un'energia dell'impulso superiore a 5 pJ e una potenza di picco superiore a 0,5 pJ. pJ e un picco potenza superiore a 0,5 W. Inoltre, l'energia dell'impulso di uscita del laser e la potenza di picco hanno raggiunto il livello più alto dei laser con modalità bloccata nell'ambito della piattaforma nanofotonica.
Il materiale cristallino di niobato di litio è un raro materiale cristallino artificiale che combina effetti piezoelettrici, elettro-ottici, acusto-ottici, fotoelastici, non lineari, fotorifrattivi e attivi al laser, ecc. Insieme ai vantaggi di proprietà meccaniche stabili, facilità di lavorazione, resistenza alle alte temperature , resistenza alla corrosione, abbondanti fonti di materie prime, prezzo basso e facile da trasformare in grandi cristalli, soprattutto dopo l'implementazione di diversi droganti possono mostrare una varietà di proprietà speciali, sono le proprietà fotoniche più complete e complete che siano state scoperte finora . È il cristallo con il maggior numero di proprietà fotoniche e i migliori indici completi scoperti finora dagli esseri umani e ha una prospettiva di applicazione di mercato molto ampia. Pertanto, è noto anche come materiale "silicio ottico" nell'era fotonica ed è ampiamente utilizzato in filtri ad alte prestazioni, dispositivi elettro-ottici, memoria olografica, display olografici 3D, dispositivi ottici non lineari e comunicazione quantistica ottica.
I laser con modalità bloccata sono in grado di generare impulsi ottici intensi, coerenti e ultracorti su scale temporali di picosecondi e femtosecondi e quindi possono realizzare applicazioni in campi all'avanguardia come l'ottica non lineare estrema, gli orologi atomici ottici, i pettini di frequenza ottica, la bioimaging, e calcolo fotonico. Tuttavia, gli attuali laser mode-locked convenzionali presentano gli svantaggi di prezzo elevato, elevato consumo energetico e grandi dimensioni, mentre si prevede che i laser mode-locked basati sull'integrazione eterogenea di semiconduttori III-V con piattaforme nanofotoniche di niobato di litio raggiungano una potenza di uscita più elevata. e una maggiore sintonizzabilità, quindi le tecnologie correlate hanno attirato ampia attenzione da parte dei ricercatori.
Mirando al collo di bottiglia tecnologico nel campo dei laser mode-locked, il gruppo di ricerca ha superato i limiti dimensionali dei tradizionali laser mode-locked integrando un mezzo di guadagno III-V e un modulatore di fase al niobato di litio, e ha realizzato laser mode-locked con prestazioni eccellenti riducendo le dimensioni al livello del chip.
I laser con modalità bloccata possono essere suddivisi in due meccanismi: blocco della modalità passiva e blocco della modalità attiva. Come mostrato nella Figura (A) di seguito, per realizzare il blocco attivo della modalità del laser, gli autori hanno aggiunto un modulatore di fase elettroottico basato su niobato di litio a film sottile all'interno della cavità risonante del laser; poiché l'indice di rifrazione del niobato di litio cambia periodicamente sotto l'effetto elettro-ottico, il che fa sì che gli impulsi ottici non riescano a mantenere uno stato stazionario all'interno della cavità, il gruppo di ricerca ha anche progettato una buona corrispondenza tra il periodo di tempo di modulazione di fase e il ciclo di rotazione. tempo di intervento degli impulsi ottici all'interno della cavità e utilizzato l'offset della dispersione per ottenere una buona corrispondenza con il periodo di tempo di modulazione di fase. Pertanto, la ricerca mirava anche a ottenere una buona corrispondenza tra il periodo di modulazione di fase e il tempo di andata e ritorno dell'impulso ottico nella cavità, e a utilizzare la dispersione per compensare il chirp accumulato e compensare la perdita dell'impulso ottico in base al guadagno del laser, ed infine realizzare l'aggancio di fase, come mostrato nelle figure seguenti (BC); il diagramma schematico del laser su chip integrato con modalità bloccata al niobato di litio realizzato è mostrato nella figura seguente (D).
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Principio di funzionamento e schema del dispositivo del laser su chip integrato con modalità bloccata al niobato di litio.
Secondo il gruppo di ricerca, con la sua elevata potenza di picco in uscita e la precisa capacità di controllo della frequenza, il laser a modalità bloccata dovrebbe costruire un sistema ottico non lineare ultraveloce con piena integrazione su chip, realizzando così pettini di frequenza ottici, sorgenti di luce supercontinue e atomiche orologi con bloccaggio completo della frequenza. Ciò faciliterà notevolmente lo sviluppo delle comunicazioni ottiche, dell’imaging medico, della misurazione di precisione, dell’informatica e di altri campi. "A lungo termine, il laser con modalità bloccata su chip potrebbe avere applicazioni insostituibili nei campi delle comunicazioni coerenti, della tempistica di precisione e della misurazione di precisione."
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Risultati attuali dell'analisi di sintonizzazione del laser integrato con modalità attiva bloccata
Inoltre, i laser convenzionali a stato solido e a fibra con blocco della modalità basati su meccanismi di blocco della modalità attivi possono ottenere il blocco della modalità solo entro un intervallo limitato di frequenze di modulazione esterna e quando la frequenza di modulazione esterna supera l'intervallo pertinente, l'uscita ottica del laser l'impulso perderà la sua relazione di fase fissa (cioè perderà coerenza). Come mostrato nella figura sopra, rispetto ai laser mode-locked attivi convenzionali, il laser mode-locked su chip integrato al niobato di litio realizzato in questo studio ha un ampio intervallo sintonizzabile di frequenza di ripetizione degli impulsi ed è in grado di generare impulsi ottici coerenti nel Gamma di frequenza di modulazione 200 MHz. Inoltre, la frequenza portante e la frequenza di ripetizione dell'impulso del laser pulsato possono essere modificate in modo significativo regolando la corrente della pompa o la frequenza di modulazione del laser. Ciò significa che il laser con modalità bloccata può essere manipolato in vari modi. Controllando con precisione la corrente della pompa del laser o la frequenza di modulazione tramite feedback, è possibile controllare con precisione la frequenza di ripetizione dell'impulso e la frequenza portante del laser, realizzando così un pettine di frequenza ottica in grado di controllare con precisione la frequenza, il che è di grande importanza per le applicazioni a frequenza precisa misurazione.
I laser a semiconduttore convenzionali con modalità bloccata tipicamente integrano la regione di guadagno e l'assorbitore saturabile (elemento con modalità bloccata) sullo stesso chip semiconduttore. A causa della complessa dinamica del portatore del semiconduttore tribo-cinque, il laser può ottenere la generazione di impulsi ultracorti solo in una regione operativa della corrente della pompa molto ristretta, il che non è favorevole alla realizzazione di un'uscita laser ad alta potenza. Tuttavia, questo studio sfrutta appieno la capacità di uscita ad alta potenza del semiconduttore tribo-cinque utilizzando il niobato di litio a film sottile come elemento attivo di blocco della modalità.
Basandosi sulle eccellenti proprietà del niobato di litio a film sottile, il team ha ottenuto una serie di risultati nei campi del niobato di litio a film sottile, dell’ottica integrata e dell’ottica non lineare. Ad esempio, l'effetto ottico non lineare di secondo ordine della nanofotonica del niobato di litio a film sottile è stato utilizzato per dimostrare la commutazione completamente ottica più veloce (46 femtosecondi) e a bassissima energia (80 femtocinetica) su una piattaforma ottica integrata fino ad oggi. Sulla piattaforma di niobato di litio a film sottile, abbiamo anche realizzato un amplificatore parametrico ottico con guadagno molto elevato (100 dB/cm) e larghezza di banda di guadagno molto ampia (600 nm), un'ampia gamma di oscillatori parametrici ottici sintonizzabili in frequenza e il la più alta compressione quantistica (4,9 dB) nel campo dell'ottica integrata fino ad oggi.
Ian S. Osborne, editore di Science, ha elogiato la ricerca: "I laser mode-locked sono una tecnologia all'avanguardia nella scienza ultraveloce, consentendo pettini di frequenza con impulsi ottici coerenti ultracorti e spaziatura precisa. Integrando un mezzo di guadagno III-V con un modulatore di fase al niobato di litio, abbiamo superato i limiti dimensionali dei laser mode-locked convenzionali e abbiamo realizzato un laser mode-locked con prestazioni eccellenti riducendo le dimensioni del chip. Si prevede che i risultati di questa ricerca avranno applicazioni pratiche in applicazioni all'avanguardia campi come la misurazione di precisione e la spettroscopia."
