Récemment, l'équipe de Qiu-Shi Guo de la City University de New York et d'Alireza Marandi du California Institute of Technology a publié un article intitulé "Ultrafast mode-locked laser in nanophotonic lithium niobate" dans la revue Science. "L'équipe a intelligemment combiné le gain laser élevé des semi-conducteurs III-V avec les excellentes propriétés électro-optiques du niobate de lithium en couche mince et a fabriqué un laser à mode verrouillé pompé électriquement avec une puissance d'impulsion de crête élevée grâce à une intégration hybride, qui a une répétition fréquence de 10 GHz proche de 1065 nm, une largeur d'impulsion optique de 4,8 ps, une énergie d'impulsion de plus de 5 pJ et une puissance de crête de plus de 0,5 pJ. puissance supérieure à 0,5 W. De plus, son énergie d'impulsion de sortie laser et sa puissance de crête ont atteint le plus haut niveau de lasers à mode verrouillé sous la plate-forme nanophotonique.
Le matériau cristallin de niobate de lithium est un matériau cristallin artificiel rare qui combine des effets piézoélectriques, électro-optiques, acousto-optiques, photoélastiques, non linéaires, photoréfractifs et actifs au laser, etc. Avec les avantages de propriétés mécaniques stables, d'un traitement facile, d'une résistance à haute température , résistance à la corrosion, sources abondantes de matières premières, prix bas et facile à transformer en gros cristaux, en particulier après la mise en œuvre de différents dopants, peuvent montrer une variété de propriétés spéciales, ce sont les propriétés photoniques les plus complètes et les plus complètes qui aient été découvertes jusqu'à présent. . Il s'agit du cristal doté du plus grand nombre de propriétés photoniques et des meilleurs indices complets découverts jusqu'à présent, et il a de très larges perspectives d'application sur le marché. Par conséquent, il est également connu sous le nom de matériau « silicium optique » à l'ère photonique et est largement utilisé dans les filtres hautes performances, les dispositifs électro-optiques, le stockage holographique, les écrans holographiques 3D, les dispositifs optiques non linéaires et la communication quantique optique.
Les lasers à mode verrouillé sont capables de générer des impulsions optiques intenses, cohérentes et ultracourtes sur des échelles de temps picoseconde et femtoseconde, et peuvent ainsi réaliser des applications dans des domaines de pointe tels que l'optique non linéaire extrême, les horloges atomiques optiques, les peignes de fréquence optique, la bio-imagerie, et informatique photonique. Cependant, les lasers à mode verrouillé conventionnels actuels présentent les inconvénients d'un prix élevé, d'une consommation d'énergie élevée et d'une grande taille, et les lasers à mode verrouillé basés sur l'intégration hétérogène de semi-conducteurs III-V avec des plates-formes nanophotoniques au niobate de lithium devraient atteindre une puissance de sortie plus élevée. et une plus grande adaptabilité, de sorte que les technologies associées ont attiré une grande attention de la part des chercheurs.
Visant le goulot d'étranglement technologique dans le domaine des lasers à mode verrouillé, l'équipe de recherche a surmonté la limitation de taille des lasers à mode verrouillé traditionnels en intégrant un milieu de gain III-V et un modulateur de phase au niobate de lithium, et a réalisé des lasers à mode verrouillé avec d'excellentes performances tout en réduisant la taille au niveau de la puce.
Les lasers à mode verrouillé peuvent être divisés en deux mécanismes : le verrouillage de mode passif et le verrouillage de mode actif. Comme le montre la figure (A) ci-dessous, pour réaliser le verrouillage de mode actif du laser, les auteurs ont ajouté un modulateur de phase électro-optique basé sur du niobate de lithium en couche mince à l'intérieur de la cavité résonante du laser ; Étant donné que l'indice de réfraction du niobate de lithium change périodiquement sous l'effet électro-optique, ce qui empêche les impulsions optiques de maintenir un état stable à l'intérieur de la cavité, l'équipe de recherche a également conçu une bonne correspondance entre la période de modulation de phase et la période ronde. temps de déclenchement des impulsions optiques à l'intérieur de la cavité et utilisé le décalage de dispersion pour obtenir une bonne correspondance avec la période de temps de modulation de phase. Par conséquent, la recherche a également été conçue pour obtenir une bonne correspondance entre la période de modulation de phase et le temps d'aller-retour de l'impulsion optique dans la cavité, et utiliser la dispersion pour compenser le chirp accumulé et compenser la perte d'impulsion optique en fonction de la gain laser, et enfin réaliser le verrouillage de phase, comme le montrent les figures suivantes (BC) ; le diagramme schématique du laser intégré sur puce à mode verrouillé au niobate de lithium réalisé est présenté dans la figure suivante (D).
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Principe de fonctionnement et schéma de dispositif du laser intégré sur puce à mode verrouillé au niobate de lithium.
Selon l'équipe de recherche, avec sa puissance de sortie élevée et sa capacité de contrôle précis de la fréquence, le laser à mode verrouillé devrait construire un système optique non linéaire ultrarapide avec une intégration complète sur puce, réalisant ainsi des peignes de fréquence optique, des sources de lumière supercontinuum et atomiques. horloges avec verrouillage pleine fréquence. Cela facilitera grandement le développement des communications optiques, de l’imagerie médicale, de la mesure de précision, de l’informatique et d’autres domaines. "À plus long terme, le laser à mode verrouillé sur puce pourrait avoir des applications irremplaçables dans les domaines des communications cohérentes, de la synchronisation de précision et des mesures de précision."
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Résultats de l'analyse de réglage actuel du laser intégré à mode actif verrouillé
De plus, les lasers conventionnels à semi-conducteurs et à fibre à verrouillage de mode basés sur des mécanismes de verrouillage de mode actifs ne peuvent réaliser un verrouillage de mode que dans une plage limitée de fréquences de modulation externes, et lorsque la fréquence de modulation externe dépasse la plage appropriée, le laser émet un signal optique. l'impulsion perdra sa relation de phase fixe (c'est-à-dire qu'elle perdra sa cohérence). Comme le montre la figure ci-dessus, comparé aux lasers à mode actif conventionnels, le laser à mode verrouillé intégré au niobate de lithium réalisé dans cette étude possède une large plage accordable de fréquence de répétition d'impulsion et est capable de générer des impulsions optiques cohérentes dans le Gamme de fréquences de modulation de 200 MHz. De plus, la fréquence porteuse et la fréquence de répétition des impulsions du laser pulsé peuvent être modifiées de manière significative en ajustant le courant de pompe ou la fréquence de modulation du laser. Cela signifie que le laser à mode verrouillé peut être manipulé de diverses manières. Grâce au contrôle précis du courant de pompe ou de la fréquence de modulation du laser, la fréquence de répétition des impulsions et la fréquence porteuse du laser peuvent être contrôlées avec précision, réalisant ainsi un peigne de fréquence optique capable de contrôler avec précision la fréquence, ce qui est d'une grande importance pour les applications en fréquence précise. la mesure.
Les lasers à mode verrouillé à semi-conducteur conventionnels intègrent généralement la région de gain et l'absorbeur saturable (élément à mode verrouillé) sur la même puce semi-conductrice. En raison de la dynamique complexe des porteurs du semi-conducteur tribo-cinq, le laser ne peut générer une impulsion ultracourte que dans une région de fonctionnement du courant de pompe à entraînement très étroit, ce qui n'est pas propice à la réalisation d'une sortie laser de haute puissance. Cependant, cette étude libère pleinement la capacité de sortie de puissance élevée du semi-conducteur tribo-cinq en utilisant du niobate de lithium en couche mince comme élément de verrouillage de mode actif.
S'appuyant sur les excellentes propriétés du niobate de lithium en couche mince, l'équipe a obtenu une série de résultats dans les domaines du niobate de lithium en couche mince, de l'optique intégrée et de l'optique non linéaire. Par exemple, l’effet optique non linéaire de second ordre de la nanophotonique au niobate de lithium en couche mince a été utilisé pour démontrer la commutation tout optique la plus rapide (46 femtosecondes) et à très faible énergie (80 femtocinétique) sur une plate-forme optique intégrée à ce jour. Sur la plateforme de niobate de lithium à couches minces, nous avons également réalisé un amplificateur paramétrique optique à très haut gain (100 dB/cm) et à très grande bande passante de gain (600 nm), une large gamme d'oscillateurs paramétriques optiques accordables en fréquence, et le compression quantique la plus élevée (4,9 dB) dans le domaine de l'optique intégrée à ce jour.
Ian S. Osborne, rédacteur en chef de Science, a fait l'éloge de la recherche : « Les lasers à mode verrouillé constituent une technologie de pointe dans la science ultrarapide, permettant des peignes de fréquence avec des impulsions optiques cohérentes ultracourtes et un espacement précis. En intégrant un milieu de gain III-V avec un modulateur de phase au niobate de lithium, nous avons brisé les contraintes de taille des lasers à mode verrouillé conventionnels et réalisé un laser à mode verrouillé avec d'excellentes performances tout en réduisant la taille à l'échelle de la puce. Les résultats de cette recherche devraient avoir des applications pratiques dans les domaines de pointe. domaines tels que la mesure de précision et la spectroscopie.
