اخیراً تیم Qiu-Shi Guo از دانشگاه سیتی نیویورک و علیرضا مرندی از مؤسسه فناوری کالیفرنیا مقاله ای تحت عنوان "لیزر قفل شده با حالت فوق سریع در لیتیوم نیوبات نانوفوتونیکی" در مجله Science منتشر کردند. این تیم هوشمندانه بهره لیزری بالای نیمه هادی های III-V را با خواص الکترواپتیکی عالی لیتیوم نیوبات لایه نازک ترکیب کردند و یک لیزر قفل شده با حالت پمپاژ الکتریکی با قدرت پالس بالا از طریق یکپارچه سازی هیبریدی ساختند که دارای تکرار است. فرکانس 1{11}} گیگاهرتز نزدیک به 1065 نانومتر، عرض پالس نوری 4.8 ثانیه، انرژی پالس بیش از 5 pJ، و توان پیک بیش از 0.5 pJ. pJ و پیک توان بیشتر از 0.5 وات. علاوه بر این، انرژی پالس خروجی لیزر و حداکثر توان آن به بالاترین سطح لیزرهای قفل شده در حالت تحت پلت فرم نانوفوتونیکی رسیده است.
مواد کریستالی لیتیوم نیوبات یک ماده کریستالی مصنوعی کمیاب است که ترکیبی از اثرات پیزوالکتریک، الکترواپتیکال، آکوستو نوری، فوتوالاستیک، غیرخطی، انکسار نوری و لیزر فعال و غیره است. همراه با مزایای خواص مکانیکی پایدار، پردازش آسان، مقاومت در برابر دمای بالا. مقاومت در برابر خوردگی، منابع مواد اولیه فراوان، قیمت پایین و رشد آسان به کریستال های بزرگ، به ویژه پس از اجرای ناخالصی های مختلف می تواند خواص ویژه متنوعی را نشان دهد، جامع ترین و جامع ترین خواص فوتونیک است که تاکنون کشف شده است. . این کریستالی با بیشترین خواص فوتونیک و بهترین شاخص های جامع است که تاکنون توسط مردم کشف شده است و چشم انداز کاربردی بازار بسیار گسترده ای دارد. بنابراین، در عصر فوتونیک به عنوان ماده "سیلیکون نوری" نیز شناخته می شود و به طور گسترده در فیلترهای با کارایی بالا، دستگاه های الکترواپتیکی، ذخیره سازی هولوگرافی، نمایشگرهای هولوگرافی سه بعدی، دستگاه های نوری غیرخطی و ارتباطات کوانتومی نوری استفاده می شود.
لیزرهای حالت قفل شده قادر به تولید پالس های نوری شدید، منسجم و فوق کوتاه در مقیاس های زمانی پیکوثانیه و فمتوثانیه هستند و بنابراین می توانند کاربردهایی در زمینه های پیشرفته مانند اپتیک غیرخطی شدید، ساعت های اتمی نوری، شانه های فرکانس نوری، تصویربرداری زیستی، و محاسبات فوتونیک با این حال، لیزرهای قفل دار معمولی فعلی دارای معایب قیمت بالا، مصرف انرژی بالا و اندازه بزرگ هستند و انتظار می رود لیزرهای حالت قفل مبتنی بر ادغام ناهمگن نیمه هادی های III-V با پلت فرم های نانوفوتونیکی لیتیوم نیوبات به توان خروجی بالاتری دست یابند. و قابلیت تنظیم بالاتر، بنابراین فناوری های مرتبط توجه گسترده محققان را به خود جلب کرده است.
تیم تحقیقاتی با هدف گلوگاه فناوری در زمینه لیزرهای حالت قفل شده، محدودیت اندازه لیزرهای قفل شده با حالت سنتی را با ادغام یک محیط بهره III-V و یک مدولاتور فاز لیتیوم نیوبات، و لیزرهای قفل شده در حالت تشخیص داده است. با عملکرد عالی در حالی که اندازه را به سطح تراشه کاهش می دهد.
لیزرهای حالت قفل را می توان به دو مکانیسم تقسیم کرد: قفل حالت غیرفعال و قفل حالت فعال. همانطور که در شکل (الف) در زیر نشان داده شده است، برای تحقق قفل کردن حالت فعال لیزر، نویسندگان یک مدولاتور فاز الکترواپتیک بر اساس لایه نازک لیتیوم نیوبات در داخل حفره رزونانس لیزر اضافه کردند. از آنجایی که ضریب شکست لیتیوم نیوبات به صورت دورهای تحت اثر الکترواپتیکی تغییر میکند، که منجر به شکست پالسهای نوری در حفظ حالت ثابت در داخل حفره میشود، تیم تحقیقاتی همچنین تطابق خوبی بین دوره زمانی مدولاسیون فاز و دوره گرد طراحی کردند. زمان تردد پالسهای نوری در داخل حفره، و استفاده از تعدیل پراکندگی برای دستیابی به تطابق خوب با دوره زمانی مدولاسیون فاز. بنابراین، این تحقیق همچنین برای دستیابی به تطابق خوب بین دوره زمانی مدولاسیون فاز و زمان رفت و برگشت پالس نوری در حفره و استفاده از پراکندگی برای جبران صدای انباشته شده و جبران تلفات پالس نوری بر اساس بهره لیزر، و در نهایت قفل فاز، همانطور که در شکل های زیر نشان داده شده است (BC) را درک کنید. نمودار شماتیک لیزر روی تراشه قفل شده لیتیوم نیوبات یکپارچه یکپارچه در شکل زیر نشان داده شده است (D).
تصویر
اصل عملیات و شماتیک دستگاه لیزر روی تراشه قفل شده با حالت لیتیوم نیوبات یکپارچه.
طبق گفته تیم تحقیقاتی، با توان بالای خروجی و قابلیت کنترل فرکانس دقیق، انتظار میرود که لیزر قفلشده در حالت، یک سیستم نوری غیرخطی فوقالعاده سریع با یکپارچگی کامل روی تراشه بسازد، در نتیجه شانههای فرکانس نوری، منابع نور ابرپیوسته و اتمی را تحقق بخشد. ساعت هایی با قفل فرکانس کامل این امر توسعه ارتباطات نوری، تصویربرداری پزشکی، اندازهگیری دقیق، محاسبات و سایر زمینهها را بسیار تسهیل میکند. در بلندمدت، لیزر قفلشده روی تراشه ممکن است کاربردهای غیرقابل جایگزینی در زمینههای ارتباطات منسجم، زمانبندی دقیق و اندازهگیری دقیق داشته باشد.
تصویر.
نتایج تحلیل تنظیم فعلی لیزر قفل شده با حالت فعال یکپارچه
علاوه بر این، لیزرهای معمولی حالت جامد و حالت فیبر قفل شده مبتنی بر مکانیسمهای قفل حالت فعال فقط میتوانند در محدوده محدودی از فرکانسهای مدولاسیون خارجی به حالت قفل شدن دست یابند و زمانی که فرکانس مدولاسیون خارجی از محدوده مربوطه فراتر رود، خروجی لیزر نوری است. پالس رابطه فاز ثابت خود را از دست می دهد (یعنی انسجام را از دست می دهد). همانطور که در شکل بالا نشان داده شده است، در مقایسه با لیزرهای قفل شده با حالت فعال معمولی، لیزر یکپارچه قفل شده روی تراشه نیوبات لیتیوم که در این مطالعه کشف شد، دارای محدوده قابل تنظیم زیادی از فرکانس تکرار پالس است و قادر به تولید پالس های نوری منسجم در محدوده فرکانس مدولاسیون 200 مگاهرتز. علاوه بر این، فرکانس حامل و فرکانس تکرار پالس لیزر پالسی را می توان با تنظیم جریان پمپ یا فرکانس مدولاسیون لیزر به میزان قابل توجهی تغییر داد. این بدان معناست که لیزر قفل شده با حالت را می توان به روش های مختلفی دستکاری کرد. با کنترل دقیق جریان پمپ لیزری یا فرکانس مدولاسیون، فرکانس تکرار پالس و فرکانس حامل لیزر را می توان دقیقاً کنترل کرد، بنابراین یک شانه فرکانس نوری که می تواند فرکانس را دقیقاً کنترل کند، که برای کاربردهای فرکانس دقیق اهمیت زیادی دارد، به دست می آید. اندازه گیری.
لیزرهای قفل شده با حالت نیمه هادی معمولی معمولاً ناحیه بهره و جاذب قابل اشباع (عنصر قفل شده در حالت) را روی یک تراشه نیمه هادی یکپارچه می کنند. با توجه به دینامیک حامل پیچیده نیمه هادی تریبو-پنج، لیزر فقط می تواند در یک منطقه عملیاتی جریان پمپ با هدایت بسیار باریک به تولید پالس فوق کوتاه دست یابد، که برای تحقق خروجی لیزر با توان بالا مناسب نیست. با این حال، این مطالعه به طور کامل توانایی خروجی توان بالای نیمه هادی تریبو-پنج را با استفاده از لایه نازک لیتیوم نیوبات به عنوان یک عنصر قفل کننده حالت فعال آزاد می کند.
بر اساس خواص عالی لیتیوم نیوبات لایه نازک، این تیم به یک سری نتایج در زمینههای لیتیوم نیوبات لایه نازک، اپتیک یکپارچه و اپتیک غیرخطی دست یافته است. به عنوان مثال، اثر نوری غیرخطی مرتبه دوم نانوفتونیک های لیتیوم نیوبات لایه نازک برای نشان دادن سریع ترین (46 فمتوثانیه)، سوئیچینگ تمام نوری بسیار کم انرژی (80 فمتوکینیتیک) روی یک پلت فرم اپتیک یکپارچه تا به امروز مورد استفاده قرار گرفت. بر روی پلت فرم لیتیوم نیوبات لایه نازک، ما همچنین یک تقویت کننده پارامتری نوری با بهره بسیار بالا (100 dB/cm) و پهنای باند بهره بسیار زیاد (600 نانومتر)، طیف وسیعی از نوسان ساز پارامتری نوری قابل تنظیم فرکانس و بالاترین فشرده سازی کوانتومی (4.9 دسی بل) در زمینه اپتیک یکپارچه تا به امروز.
ایان اس. آزبورن، ویراستار Science، این تحقیق را ستایش کرد: "لیزرهای حالت قفل یک فناوری پیشرفته در علم فوق سریع هستند که شانه های فرکانس را با پالس های نوری منسجم فوق کوتاه و فاصله گذاری دقیق امکان پذیر می کنند. با ادغام یک محیط بهره III-V با یک مدولاتور فاز لیتیوم نیوبات، ما محدودیت های اندازه لیزرهای معمولی قفل دار را شکستیم و به یک لیزر حالت قفل با عملکرد عالی در حین کوچک کردن اندازه تراشه پی بردیم. انتظار می رود نتایج این تحقیق کاربردهای عملی در پیشرفته داشته باشد. زمینه هایی مانند اندازه گیری دقیق و طیف سنجی."
