Baru-baru ini, tim Qiu-Shi Guo dari City University of New York dan Alireza Marandi dari California Institute of Technology menerbitkan artikel berjudul "Ultrafast mode-locked laser in nanophotonic lithium niobate" di jurnal Science. “Tim ini secara cerdik menggabungkan penguatan laser yang tinggi dari semikonduktor III-V dengan sifat elektro-optik yang sangat baik dari litium niobate film tipis dan membuat laser mode-locked yang dipompa secara elektrik dengan daya pulsa puncak yang tinggi melalui integrasi hibrida, yang memiliki pengulangan frekuensi 10 GHz dekat 1065 nm, lebar pulsa optik 4,8 ps, energi pulsa lebih dari 5 pJ, dan daya puncak lebih dari 0,5 pJ. pJ, dan puncak daya lebih besar dari 0,5 W. Selain itu, energi pulsa keluaran laser dan daya puncaknya telah mencapai tingkat tertinggi laser mode-terkunci di bawah platform nanofotonik.
Bahan kristal litium niobate adalah bahan kristal buatan langka yang menggabungkan efek piezoelektrik, elektro-optik, akustik-optik, fotoelastik, nonlinier, fotorefraksi, dan aktif laser, dll. Bersama dengan keunggulan sifat mekanik yang stabil, pemrosesan yang mudah, tahan suhu tinggi , ketahanan terhadap korosi, sumber bahan baku yang melimpah, harga murah, dan mudah tumbuh menjadi kristal besar, apalagi setelah penerapan dopan yang berbeda dapat menunjukkan berbagai sifat khusus, ini merupakan sifat fotonik terlengkap dan terlengkap yang pernah ditemukan sejauh ini . Ini adalah kristal dengan sifat fotonik terbanyak dan indeks komprehensif terbaik yang ditemukan sejauh ini, dan memiliki prospek penerapan pasar yang sangat luas. Oleh karena itu, ia juga dikenal sebagai bahan "silikon optik" di era fotonik, dan banyak digunakan dalam filter berkinerja tinggi, perangkat elektro-optik, penyimpanan holografik, tampilan holografik 3D, perangkat optik nonlinier, dan komunikasi kuantum optik.
Laser dengan mode terkunci mampu menghasilkan pulsa optik ultrapendek yang intens, koheren, dan ultrashort pada skala waktu pikodetik dan femtodetik, dan dengan demikian dapat mewujudkan aplikasi dalam bidang mutakhir seperti optik nonlinier ekstrem, jam atom optik, sisir frekuensi optik, bio-imaging, dan komputasi fotonik. Namun, laser mode-terkunci konvensional saat ini memiliki kelemahan berupa harga tinggi, konsumsi daya tinggi, dan ukuran besar, dan laser mode-locked berdasarkan integrasi heterogen semikonduktor III-V dengan platform nanofotonik litium niobate diharapkan dapat mencapai daya keluaran yang lebih tinggi. dan kemampuan merdu yang lebih tinggi, sehingga teknologi terkait telah menarik perhatian luas para peneliti.
Bertujuan untuk mengatasi hambatan teknologi di bidang laser mode-locked, tim peneliti telah menerobos batasan ukuran laser mode-locked tradisional dengan mengintegrasikan media penguatan III-V dan modulator fase lithium niobate, dan mewujudkan laser mode-locked dengan kinerja luar biasa sekaligus memperkecil ukurannya hingga setingkat chip.
Laser dengan mode terkunci dapat dibagi menjadi dua mekanisme: penguncian mode pasif dan penguncian mode aktif. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar (A) di bawah, untuk mewujudkan penguncian mode aktif laser, penulis menambahkan modulator fase elektro-optik berdasarkan litium niobate film tipis di dalam rongga resonansi laser; karena indeks bias lithium niobate berubah secara berkala di bawah efek elektro-optik, yang mengakibatkan pulsa optik gagal mempertahankan kondisi stabil di dalam rongga, tim peneliti juga merancang kecocokan yang baik antara periode waktu modulasi fase dan putaran. waktu trip pulsa optik di dalam rongga, dan memanfaatkan offset dispersi untuk mencapai kecocokan yang baik dengan periode waktu modulasi fase. Oleh karena itu, penelitian ini juga dirancang untuk mencapai kesesuaian yang baik antara periode waktu modulasi fase dan waktu bolak-balik pulsa optik di dalam rongga, dan menggunakan dispersi untuk mengimbangi akumulasi kicauan, dan mengkompensasi kehilangan pulsa optik berdasarkan pada penguatan laser, dan akhirnya mewujudkan penguncian fase, seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut (BC); diagram skematik dari laser on-chip lithium niobate terintegrasi yang direalisasikan ditunjukkan pada gambar berikut (D).
Gambar
Prinsip pengoperasian dan skema perangkat laser on-chip yang terkunci mode lithium niobate.
Menurut tim peneliti, dengan daya puncak keluaran tinggi dan kemampuan kontrol frekuensi yang presisi, laser dengan mode terkunci diharapkan dapat membangun sistem optik nonlinier ultracepat dengan integrasi on-chip penuh, sehingga mewujudkan sisir frekuensi optik, sumber cahaya superkontinuum, dan atom. jam dengan penguncian frekuensi penuh. Hal ini akan sangat memudahkan perkembangan komunikasi optik, pencitraan medis, pengukuran presisi, komputasi dan bidang lainnya. “Dalam jangka panjang, laser dengan mode terkunci pada chip mungkin memiliki aplikasi yang tak tergantikan di bidang komunikasi yang koheren, pengaturan waktu yang presisi, dan pengukuran yang presisi.”
Gambar.
Hasil analisis penyetelan terkini dari laser terkunci mode aktif terintegrasi
Selain itu, laser konvensional yang dikunci dengan mode solid-state dan serat berdasarkan mekanisme penguncian mode aktif hanya dapat mencapai penguncian mode dalam rentang frekuensi modulasi eksternal yang terbatas, dan ketika frekuensi modulasi eksternal melebihi rentang yang relevan, keluaran laser optik pulsa akan kehilangan hubungan fase tetapnya (yaitu kehilangan koherensi). Seperti yang ditunjukkan pada gambar di atas, dibandingkan dengan laser terkunci mode aktif konvensional, laser terkunci mode on-chip lithium niobate terintegrasi yang direalisasikan dalam penelitian ini memiliki rentang frekuensi pengulangan pulsa yang besar dan mampu menghasilkan pulsa optik yang koheren dalam mode-terkunci. Rentang frekuensi modulasi 200 MHz. Selain itu, frekuensi pembawa dan frekuensi pengulangan pulsa dari laser berdenyut dapat diubah secara signifikan dengan menyesuaikan arus pompa atau frekuensi modulasi laser. Ini berarti laser dengan mode terkunci dapat dimanipulasi dengan berbagai cara. Dengan umpan balik yang mengontrol arus pompa laser atau frekuensi modulasi, frekuensi pengulangan pulsa dan frekuensi pembawa laser dapat dikontrol secara tepat, sehingga mewujudkan sisir frekuensi optik yang dapat mengontrol frekuensi secara tepat, yang sangat penting untuk aplikasi dalam frekuensi yang tepat. pengukuran.
Laser dengan mode terkunci semikonduktor konvensional biasanya mengintegrasikan wilayah penguatan dan penyerap jenuh (elemen terkunci mode) pada chip semikonduktor yang sama. Karena dinamika pembawa yang kompleks dari semikonduktor tribo-lima, laser hanya dapat mencapai pembangkitan pulsa ultrapendek di wilayah operasi arus pompa yang digerakkan sangat sempit, yang tidak kondusif untuk realisasi keluaran laser berdaya tinggi. Namun, penelitian ini sepenuhnya melepaskan kemampuan keluaran daya tinggi dari semikonduktor tribo-lima dengan memanfaatkan litium niobate film tipis sebagai elemen pengunci mode aktif.
Berdasarkan sifat luar biasa dari litium niobate film tipis, tim ini telah mencapai serangkaian hasil di bidang litium niobate film tipis, optik terintegrasi, dan optik nonlinier. Misalnya, efek optik nonlinier orde kedua dari nanofotonik lithium niobate film tipis digunakan untuk menunjukkan peralihan semua optik tercepat (46 femtodetik), energi sangat rendah (80 femtokinetik) pada platform optik terintegrasi hingga saat ini. Pada platform lithium niobate film tipis, kami juga telah merealisasikan penguat parametrik optik dengan penguatan sangat tinggi (100 dB/cm) dan bandwidth penguatan sangat besar (600 nm), berbagai osilator parametrik optik yang dapat diatur frekuensinya, dan kompresi kuantum tertinggi (4,9 dB) di bidang optik terintegrasi hingga saat ini.
Ian S. Osborne, editor Science, memuji penelitian ini: "Laser dengan mode terkunci adalah teknologi mutakhir dalam sains ultracepat, memungkinkan penyisiran frekuensi dengan pulsa optik koheren ultrapendek dan jarak yang presisi. Dengan mengintegrasikan media penguatan III-V dengan a modulator fase lithium niobate, kami telah menerobos batasan ukuran laser mode-terkunci konvensional dan mewujudkan laser mode-locked dengan kinerja luar biasa sekaligus memperkecil ukuran ke skala chip.Hasil penelitian ini diharapkan memiliki aplikasi praktis dalam bidang mutakhir bidang seperti pengukuran presisi dan spektroskopi."
