Dunkle Solitonen in Ringhalbleiterlasern entdeckt – Physics World

Es wurde beobachtet, dass sich in Ringhalbleiterlasern spontan dunkle Solitonen bilden – Bereiche optischer Auslöschung vor hellem Hintergrund. Die von einem internationalen Forscherteam durchgeführte Beobachtung könnte zu Verbesserungen in der Molekülspektroskopie und der integrierten Optoelektronik führen.

Frequenzkämme – gepulste Laser, die Licht mit gleichmäßig verteilten Frequenzen aussenden – sind eine der wichtigsten Errungenschaften in der Geschichte der Laserphysik. Manchmal auch als optische Lineale bezeichnet, bilden sie die Grundlage für Zeit- und Frequenzstandards und werden zur Definition vieler grundlegender Größen in der Wissenschaft verwendet. Allerdings sind herkömmliche Frequenzkammlaser sperrig, komplex und teuer, und Laserexperten sind daran interessiert, einfachere Versionen zu entwickeln, die in Chips integriert werden können.

Während sie im Jahr 2020 einen solchen Versuch unternahmen, haben Forscher in Federico Capassoentdeckte zufällig, dass sich ein Quantenkaskaden-Ringlaser nach dem anfänglichen Eintritt in einen äußerst turbulenten Bereich auf einen stabilen Frequenzkamm – wenn auch mit nur neun Zähnen – im mittleren Infrarot-„Fingerabdruck“-Bereich einpendelte, der weit verbreitet ist molekulare Spektroskopie.

Ein Ringlaser verfügt über einen optischen Hohlraum, in dem Licht in einer geschlossenen Schleife geführt wird, und ein Quantenkaskadenlaser ist ein Halbleiterbauelement, das Infrarotstrahlung aussendet.

Unerwartete Ergebnisse

„All diese interessanten Ergebnisse kamen von einem Steuergerät – wir hatten nicht damit gerechnet, dass das passieren würde“, sagt Harvard Marco Piccardo. Nach Monaten des Kopfzerbrechens kamen die Forscher zu dem Schluss, dass der Effekt als Instabilität der nichtlinearen Differentialgleichung verstanden werden kann, die das System beschreibt – der komplexen Ginzberg-Landau-Gleichung.

In der neuen Arbeit arbeiteten Capasso und Kollegen mit Forschern zusammen Benedikt Schwarz's Gruppe an der Technischen Universität Wien. Das österreichische Team hatte mehrere Designs für Frequenzkämme auf Basis von Quantenkaskadenlasern entwickelt. Die Forscher integrierten einen Wellenleiterkoppler in denselben Chip. Dadurch wird die Lichtauskopplung wesentlich erleichtert und eine höhere Ausgangsleistung erreicht. Es ermöglicht den Wissenschaftlern auch, die Kopplungsverluste abzustimmen und den Laser zwischen seinem Frequenzkammbereich und dem Bereich zu bewegen, in dem er als Dauerstrichlaser arbeiten sollte, der kontinuierlich Strahlung aussendet.

Im Regime der „kontinuierlichen Welle“ passiert jedoch etwas noch Seltsameres. Wenn der Laser eingeschaltet ist, verhält er sich manchmal einfach wie ein Dauerstrichlaser, aber das Aus- und Einschalten des Lasers kann dazu führen, dass ein oder mehrere dunkle Solitonen zufällig erscheinen.

Solitonen sind nichtlineare, nichtdispersive, sich selbst verstärkende Strahlungswellenpakete, die sich unbegrenzt durch den Raum ausbreiten und sich gegenseitig effektiv unverändert passieren können. Sie wurden erstmals 1834 in Wasserwellen beobachtet, wurden jedoch später in zahlreichen anderen physikalischen Systemen, einschließlich der Optik, beobachtet.

Solitonen in winzigen Lücken

Das Überraschende an dieser neuesten Beobachtung ist, dass die Solitonen als winzige Lücken im kontinuierlichen Laserlicht erscheinen. Diese scheinbar kleine Änderung der Laseremission führt zu einer enormen Änderung ihres Frequenzspektrums.

„Wenn man von einem Dauerstrichlaser spricht, bedeutet das, dass man im Spektralbereich einen einzigen monochromatischen Peak hat“, erklärt Piccardo. „Dieser Abfall bedeutet die ganze Welt … Diese beiden Bilder hängen durch das Unschärfeprinzip zusammen. Wenn man also etwas sehr, sehr Enges im Raum oder in der Zeit hat, bedeutet das, dass es im Spektralbereich viele, viele Moden gibt und viele, Viele Modi bedeuten, dass man Spektroskopie betreiben und Moleküle betrachten kann, die über einen sehr, sehr großen Spektralbereich emittieren.“

Gelegentlich wurden bereits dunkle Solitonen beobachtet, jedoch noch nie in einem kleinen, elektrisch injizierten Laser wie diesem. Piccardo sagt, dass ein dunkles Soliton spektral gesehen genauso nützlich ist wie ein helles. Einige Anwendungen wie die Pump-Probe-Spektroskopie erfordern jedoch helle Pulse. Die Techniken, die erforderlich sind, um aus dunklen Solitonen helle Solitonen zu erzeugen, werden Gegenstand weiterer Arbeiten sein. Die Forscher untersuchen auch, wie sich Solitonen deterministisch erzeugen lassen.

Ein entscheidender Vorteil dieses Kammdesigns für die Integration besteht darin, dass der Laser nach Ansicht der Forscher von Natur aus immun gegen Rückkopplungen ist, die viele andere Laser stören können, da das Licht im Ringwellenleiter nur in eine Richtung zirkuliert. Daher wären keine magnetischen Isolatoren erforderlich, die im kommerziellen Maßstab oft nicht in Siliziumchips integriert werden können.

Mit Blick auf die Integration wollen die Forscher die Technik über Quantenkaskadenlaser hinaus erweitern. „Obwohl der Chip sehr kompakt ist, benötigen Quantenkaskadenlaser typischerweise hohe Spannungen für den Betrieb, daher sind sie nicht wirklich eine Möglichkeit, die Elektronik auf dem Chip unterzubringen“, sagt Piccardo. „Wenn dies bei anderen Lasern wie Interband-Kaskadenlasern funktionieren könnte, könnten wir das Ganze miniaturisieren und es könnte tatsächlich batteriebetrieben sein.“

Laserphysiker Peter Delfyett von der University of Central Florida in Orlando glaubt, dass die Arbeit vielversprechend für zukünftige Arbeiten ist. „Dieser dunkle Impuls im Frequenzbereich ist eine Farbbank, und obwohl ihre spektrale Reinheit recht gut ist, ist ihre genaue Positionierung noch nicht erreicht“, sagt er. „Die Tatsache, dass ihnen dies gelingt – die Herstellung von Solitonen auf einem Chip mit einem elektrisch gepumpten Gerät – ist jedoch tatsächlich ein äußerst bedeutender Fortschritt.“ Ohne Zweifel."

Die Forschung ist beschrieben in Natur.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/dark-solitons-spotted-in-ring-semiconductor-lasers/