Πρόσφατα, η ομάδα Qiu-Shi Guo από το City University της Νέας Υόρκης και Alireza Marandi από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια δημοσίευσαν ένα άρθρο με τίτλο «Ultrafast mode-locked laser in nanophotonic lithium niobate» στο περιοδικό Science. «Η ομάδα συνδύασε έξυπνα το υψηλό κέρδος λέιζερ των ημιαγωγών III-V με τις εξαιρετικές ηλεκτρο-οπτικές ιδιότητες του νιοβικού λιθίου λεπτής μεμβράνης και κατασκεύασε ένα ηλεκτρικά αντλούμενο λέιζερ κλειδωμένου τρόπου λειτουργίας με υψηλή ισχύ αιχμής παλμού μέσω υβριδικής ενσωμάτωσης, το οποίο έχει μια επανάληψη συχνότητα 10 GHz κοντά στο 1065 nm, πλάτος οπτικού παλμού 4,8 ps, ενέργεια παλμού μεγαλύτερη από 5 pJ και μέγιστη ισχύς άνω των 0,5 pJ. pJ και κορυφή ισχύς μεγαλύτερη από 0,5 W. Επιπλέον, η παλμική ενέργεια εξόδου λέιζερ και η μέγιστη ισχύς έχουν φθάσει στο υψηλότερο επίπεδο λέιζερ κλειδώματος λειτουργίας κάτω από την πλατφόρμα νανοφωτονικών.
Το κρυσταλλικό υλικό νιοβικού λιθίου είναι ένα σπάνιο τεχνητό κρυσταλλικό υλικό που συνδυάζει πιεζοηλεκτρικά, ηλεκτρο-οπτικά, ακουστικοοπτικά, φωτοελαστικά, μη γραμμικά, φωτοδιαθλαστικά και ενεργά με λέιζερ κ.λπ. Μαζί με τα πλεονεκτήματα των σταθερών μηχανικών ιδιοτήτων, της εύκολης επεξεργασίας, της αντοχής σε υψηλές θερμοκρασίες , αντοχή στη διάβρωση, άφθονες πηγές πρώτων υλών, χαμηλή τιμή και εύκολο να αναπτυχθούν σε μεγάλους κρυστάλλους, ειδικά μετά την εφαρμογή διαφορετικών προσμείξεων μπορεί να δείξει μια ποικιλία ειδικών ιδιοτήτων, είναι οι πιο ολοκληρωμένες και ολοκληρωμένες φωτονικές ιδιότητες που έχουν ανακαλυφθεί μέχρι τώρα . Είναι ο κρύσταλλος με τις περισσότερες φωτονικές ιδιότητες και τους καλύτερους ολοκληρωμένους δείκτες που έχουν ανακαλυφθεί από τους ανθρώπους μέχρι στιγμής, και έχει μια πολύ ευρεία προοπτική εφαρμογής στην αγορά. Ως εκ τούτου, είναι επίσης γνωστό ως υλικό "οπτικού πυριτίου" στη φωτονική εποχή και χρησιμοποιείται ευρέως σε φίλτρα υψηλής απόδοσης, ηλεκτροοπτικές συσκευές, ολογραφική αποθήκευση, τρισδιάστατες ολογραφικές οθόνες, μη γραμμικές οπτικές συσκευές και οπτική κβαντική επικοινωνία.
Τα λέιζερ με κλειδωμένη λειτουργία είναι ικανά να παράγουν έντονους, συνεκτικούς, εξαιρετικά βραχείς οπτικούς παλμούς σε χρονικές κλίμακες picosecond και femtosecond. και φωτονικών υπολογιστών. Ωστόσο, τα τρέχοντα συμβατικά λέιζερ κλειδώματος τρόπου λειτουργίας έχουν τα μειονεκτήματα της υψηλής τιμής, της υψηλής κατανάλωσης ενέργειας και του μεγάλου μεγέθους, και τα λέιζερ κλειδώματος λειτουργίας που βασίζονται στην ετερογενή ενσωμάτωση ημιαγωγών III-V με νανοφωτονικές πλατφόρμες νιοβικού λιθίου αναμένεται να επιτύχουν υψηλότερη ισχύ εξόδου και υψηλότερη δυνατότητα συντονισμού, επομένως οι σχετικές τεχνολογίες έχουν προσελκύσει εκτεταμένη προσοχή από τους ερευνητές.
Στοχεύοντας στην τεχνολογική συμφόρηση στον τομέα των λέιζερ κλειδώματος με λειτουργία, η ερευνητική ομάδα έχει ξεπεράσει τον περιορισμό μεγέθους των παραδοσιακών λέιζερ κλειδώματος με λειτουργία ενσωματώνοντας ένα μέσο απολαβής III-V και έναν διαμορφωτή φάσης νιοβικού λιθίου και πραγματοποίησε λέιζερ κλειδώματος λειτουργίας με εξαιρετική απόδοση ενώ συρρικνώνει το μέγεθος στο επίπεδο του τσιπ.
Τα λέιζερ με κλειδωμένη λειτουργία μπορούν να χωριστούν σε δύο μηχανισμούς: παθητικό κλείδωμα λειτουργίας και ενεργητικό κλείδωμα λειτουργίας. Όπως φαίνεται στο σχήμα (Α) παρακάτω, για να πραγματοποιηθεί το κλείδωμα ενεργού τρόπου λειτουργίας του λέιζερ, οι συγγραφείς πρόσθεσαν έναν ηλεκτρο-οπτικό διαμορφωτή φάσης που βασίζεται σε νιοβικό λίθιο λεπτής μεμβράνης μέσα στην κοιλότητα συντονισμού λέιζερ. δεδομένου ότι ο δείκτης διάθλασης του νιοβικού λιθίου αλλάζει περιοδικά κάτω από το ηλεκτροοπτικό φαινόμενο, με αποτέλεσμα οι οπτικοί παλμοί να αποτυγχάνουν να διατηρήσουν μια σταθερή κατάσταση μέσα στην κοιλότητα, η ερευνητική ομάδα σχεδίασε επίσης μια καλή αντιστοιχία μεταξύ της χρονικής περιόδου διαμόρφωσης φάσης και του στρογγυλού χρόνος διακοπής των οπτικών παλμών μέσα στην κοιλότητα και χρησιμοποιήθηκε η μετατόπιση διασποράς για να επιτευχθεί καλή αντιστοιχία με τη χρονική περίοδο διαμόρφωσης φάσης. Ως εκ τούτου, η έρευνα σχεδιάστηκε επίσης για να επιτύχει μια καλή αντιστοίχιση μεταξύ της χρονικής περιόδου διαμόρφωσης φάσης και του χρόνου μετ' επιστροφής του οπτικού παλμού στην κοιλότητα, και να χρησιμοποιήσει τη διασπορά για να αντισταθμίσει το συσσωρευμένο κελαηδασμό και να αντισταθμίσει την απώλεια οπτικού παλμού με βάση την κέρδος λέιζερ και τελικά πραγματοποιήστε το κλείδωμα φάσης, όπως φαίνεται στα ακόλουθα σχήματα (BC). Το σχηματικό διάγραμμα του υλοποιημένου ολοκληρωμένου λέιζερ νιοβάτη λιθίου με κλειδωμένη λειτουργία on-chip φαίνεται στο παρακάτω σχήμα (D).
Εικόνα
Αρχή λειτουργίας και σχηματική διάταξη της συσκευής του ενσωματωμένου λέιζερ στο τσιπ με λειτουργία νιοβάτη λιθίου.
Σύμφωνα με την ερευνητική ομάδα, με την υψηλή ισχύ αιχμής εξόδου και την ικανότητα ακριβούς ελέγχου συχνότητας, το λέιζερ κλειδωμένου τρόπου λειτουργίας αναμένεται να δημιουργήσει ένα εξαιρετικά γρήγορο μη γραμμικό οπτικό σύστημα με πλήρη ενσωμάτωση στο τσιπ, υλοποιώντας έτσι χτένες οπτικής συχνότητας, πηγές φωτός υπερσυνεχούς και ατομική ρολόγια με κλείδωμα πλήρους συχνότητας. Αυτό θα διευκολύνει σημαντικά την ανάπτυξη οπτικών επικοινωνιών, ιατρικής απεικόνισης, μετρήσεων ακριβείας, υπολογιστών και άλλων τομέων. «Μακροπρόθεσμα, το λέιζερ με κλειδωμένη λειτουργία on-chip μπορεί να έχει αναντικατάστατες εφαρμογές στους τομείς των συνεκτικών επικοινωνιών, του χρονισμού ακριβείας και της μέτρησης ακριβείας».
Εικόνα.
Τα αποτελέσματα της τρέχουσας ανάλυσης συντονισμού του ενσωματωμένου λέιζερ κλειδωμένου ενεργού τρόπου λειτουργίας
Επιπλέον, τα συμβατικά λέιζερ κλειδώματος στερεάς κατάστασης και λειτουργίας ινών που βασίζονται σε μηχανισμούς κλειδώματος ενεργού τρόπου λειτουργίας μπορούν να επιτύχουν κλείδωμα λειτουργίας μόνο εντός περιορισμένου εύρους συχνοτήτων εξωτερικής διαμόρφωσης και όταν η συχνότητα εξωτερικής διαμόρφωσης υπερβαίνει το σχετικό εύρος, η οπτική έξοδος λέιζερ Ο παλμός θα χάσει τη σχέση σταθερής φάσης (δηλ. χάνει τη συνοχή). Όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα, σε σύγκριση με τα συμβατικά λέιζερ κλειδώματος ενεργού τρόπου λειτουργίας, το ενσωματωμένο λέιζερ με κλειδωμένη λειτουργία νιοβάτη λιθίου που υλοποιήθηκε σε αυτή τη μελέτη έχει μεγάλο ρυθμιζόμενο εύρος συχνότητας επανάληψης παλμών και είναι ικανό να παράγει συνεκτικούς οπτικούς παλμούς στο Εύρος συχνοτήτων διαμόρφωσης 200 MHz. Επιπλέον, η συχνότητα φορέα και η συχνότητα επανάληψης παλμών του παλμικού λέιζερ μπορούν να αλλάξουν σημαντικά ρυθμίζοντας το ρεύμα αντλίας ή τη συχνότητα διαμόρφωσης του λέιζερ. Αυτό σημαίνει ότι το λέιζερ κλειδωμένου με λειτουργία μπορεί να χειριστεί με διάφορους τρόπους. Με τον ακριβή έλεγχο του ρεύματος ή της συχνότητας διαμόρφωσης της αντλίας του λέιζερ, η συχνότητα επανάληψης παλμών και η συχνότητα φέροντος του λέιζερ μπορούν να ελεγχθούν με ακρίβεια, δημιουργώντας έτσι μια χτένα οπτικής συχνότητας που μπορεί να ελέγξει με ακρίβεια τη συχνότητα, η οποία είναι μεγάλης σημασίας για εφαρμογές σε ακριβή συχνότητα μέτρηση.
Τα συμβατικά λέιζερ που κλειδώνουν τη λειτουργία ημιαγωγών συνήθως ενσωματώνουν την περιοχή απολαβής και τον κορεσμένο απορροφητή (στοιχείο κλειδώματος λειτουργίας) στο ίδιο τσιπ ημιαγωγού. Λόγω της πολύπλοκης δυναμικής φορέα του ημιαγωγού tribo-five, το λέιζερ μπορεί να επιτύχει παραγωγή υπερμικρών παλμών μόνο σε μια πολύ στενά οδηγούμενη περιοχή λειτουργίας του ρεύματος της αντλίας, η οποία δεν ευνοεί την πραγματοποίηση εξόδου λέιζερ υψηλής ισχύος. Ωστόσο, αυτή η μελέτη απελευθερώνει πλήρως την ικανότητα υψηλής ισχύος εξόδου του ημιαγωγού tribo-five χρησιμοποιώντας νιοβικό λίθιο λεπτής μεμβράνης ως ενεργό στοιχείο κλειδώματος λειτουργίας.
Με βάση τις εξαιρετικές ιδιότητες του νιοβικού λιθίου λεπτής μεμβράνης, η ομάδα έχει επιτύχει μια σειρά αποτελεσμάτων στους τομείς του νιοβικού λιθίου λεπτής μεμβράνης, της ολοκληρωμένης οπτικής και της μη γραμμικής οπτικής. Για παράδειγμα, η δεύτερης τάξης μη γραμμική οπτική επίδραση των νανοφωτονικών νιοβάτων λιθίου λεπτής μεμβράνης χρησιμοποιήθηκε για να επιδειχθεί η ταχύτερη (46 femtoseconds), εξαιρετικά χαμηλής ενέργειας (80 femtokinetic) εξ ολοκλήρου οπτική εναλλαγή σε μια ολοκληρωμένη οπτική πλατφόρμα μέχρι σήμερα. Στην πλατφόρμα νιοβάτη λιθίου λεπτής μεμβράνης, κατασκευάσαμε επίσης έναν οπτικό παραμετρικό ενισχυτή με πολύ υψηλό κέρδος (100 dB/cm) και πολύ μεγάλο εύρος ζώνης απολαβής (600 nm), ένα ευρύ φάσμα οπτικού παραμετρικού ταλαντωτή με δυνατότητα συντονισμού συχνότητας και η υψηλότερη κβαντική συμπίεση (4,9 dB) στον τομέα της ολοκληρωμένης οπτικής μέχρι σήμερα.
Ο Ian S. Osborne, συντάκτης του Science, επαίνεσε την έρευνα: "Τα λέιζερ με λειτουργία κλειδώματος είναι μια τεχνολογία αιχμής στην υπερταχεία επιστήμη, που επιτρέπει χτένες συχνότητας με εξαιρετικά σύντομους συνεκτικούς οπτικούς παλμούς και ακριβή απόσταση. Ενσωματώνοντας ένα μέσο απολαβής III-V με διαμορφωτής φάσης νιοβικού λιθίου, ξεπεράσαμε τους περιορισμούς μεγέθους των συμβατικών λέιζερ κλειδώματος λειτουργίας και πραγματοποιήσαμε ένα λέιζερ κλειδώματος λειτουργίας με εξαιρετική απόδοση κατά τη μείωση του μεγέθους στην κλίμακα του τσιπ. Τα αποτελέσματα αυτής της έρευνας αναμένεται να έχουν πρακτικές εφαρμογές στην αιχμή πεδία όπως η μέτρηση ακριβείας και η φασματοσκοπία».
