Solitones oscuros detectados en láseres semiconductores de anillo – Physics World

Se ha observado que solitones oscuros (regiones de extinción óptica contra fondos brillantes) se forman espontáneamente en láseres semiconductores de anillo. Realizada por un equipo internacional de investigadores, la observación podría conducir a mejoras en la espectroscopia molecular y la optoelectrónica integrada.

Los peines de frecuencia (láseres pulsados ​​que emiten luz con frecuencias equiespaciadas) son uno de los logros más importantes en la historia de la física del láser. A veces denominadas reglas ópticas, son la base de los estándares de tiempo y frecuencia y se utilizan para definir muchas cantidades fundamentales en la ciencia. Sin embargo, los láseres de peine de frecuencia tradicionales son voluminosos, complejos y costosos, y los expertos en láser están interesados ​​en desarrollar versiones más simples que puedan integrarse en chips.

Mientras realizaban uno de esos intentos en 2020, los investigadores de Federico capasoEl grupo de la Universidad de Harvard descubrió accidentalmente que, después de entrar inicialmente en un régimen altamente turbulento, un láser de anillo en cascada cuántica se estableció en un peine de frecuencia estable, aunque con sólo nueve dientes, en la región de "huellas dactilares" del infrarrojo medio ampliamente utilizada en espectroscopía molecular.

Un láser de anillo tiene una cavidad óptica en la que la luz se guía alrededor de un circuito cerrado y un láser de cascada cuántica es un dispositivo semiconductor que emite radiación infrarroja.

Resultados inesperados

"Todos esos interesantes resultados surgieron de un dispositivo de control; no esperábamos que esto sucediera", dice el profesor de Harvard. Marco Piccardo. Después de meses de pensar, los investigadores descubrieron que el efecto puede entenderse en términos de una inestabilidad en la ecuación diferencial no lineal que describe el sistema: la compleja ecuación de Ginzberg-Landau.

En el nuevo trabajo, Capasso y sus colegas se asociaron con investigadores en Benedikt Schwarzdel grupo de la Universidad Tecnológica de Viena. El equipo austriaco había desarrollado varios diseños de peines de frecuencia basados ​​en láseres de cascada cuántica. Los investigadores integraron un acoplador de guía de ondas en el mismo chip. Esto hace que sea mucho más fácil extraer la luz y se consigue una mayor potencia de salida. También permite a los científicos ajustar las pérdidas de acoplamiento, empujando el láser entre su régimen de peine de frecuencia y el régimen en el que debería funcionar como un láser de onda continua que emite radiación de forma continua.

Sin embargo, en el régimen de “ola continua” sucede algo aún más extraño. A veces, cuando el láser está encendido, se comporta simplemente como un láser de onda continua, pero apagarlo y encenderlo puede causar que uno o más solitones oscuros aparezcan aleatoriamente.

Los solitones son paquetes de ondas de radiación no lineales, no dispersivos y que se refuerzan a sí mismos y que pueden propagarse a través del espacio indefinidamente y atravesarse entre sí efectivamente sin cambios. Se observaron por primera vez en 1834 en ondas de agua, pero posteriormente se han visto en muchos otros sistemas físicos, incluido el óptico.

Solitones en pequeños huecos

Lo sorprendente de esta última observación es que los solitones aparecen como pequeños espacios en la luz láser continua. Este cambio aparentemente pequeño en la emisión del láser supone un cambio tremendo en su espectro de frecuencia.

“Cuando se habla de un láser de onda continua, significa que en el dominio espectral hay un único pico monocromático”, explica Piccardo. “Esta caída significa el mundo entero… Estas dos imágenes están relacionadas por el principio de incertidumbre, por lo que cuando tienes algo muy, muy estrecho en el espacio o el tiempo, eso significa que en el dominio espectral tienes muchos, muchos modos, y al tener muchos, Muchos modos significan que puedes hacer espectroscopia y observar moléculas que emiten en un rango espectral muy, muy grande”.

Ocasionalmente se han visto solitones oscuros antes, pero nunca en un pequeño láser inyectado eléctricamente como este. Piccardo dice que espectralmente hablando, un solitón oscuro es tan útil como uno brillante. Sin embargo, algunas aplicaciones, como la espectroscopia de sonda de bomba, requieren pulsos brillantes. Las técnicas necesarias para producir solitones brillantes a partir de solitones oscuros serán objeto de futuros trabajos. Los investigadores también están estudiando cómo producir solitones de forma determinista.

Una ventaja crucial de este diseño de peine para la integración es que, como la luz circula en una sola dirección en la guía de ondas del anillo, los investigadores creen que el láser es inherentemente inmune a la retroalimentación que puede alterar muchos otros láseres. Por lo tanto, no requeriría aisladores magnéticos, que a menudo son imposibles de integrar en chips de silicio a escala comercial.

Teniendo en cuenta la integración, los investigadores quieren ampliar la técnica más allá de los láseres de cascada cuántica. "A pesar de que el chip es realmente compacto, los láseres de cascada cuántica normalmente requieren altos voltajes para funcionar, por lo que no son realmente una forma de colocar la electrónica en el chip", dice Piccardo. "Si esto pudiera funcionar en otros láseres, como los láseres en cascada interbanda, entonces podríamos miniaturizar todo y realmente podría funcionar con baterías".

físico láser Peter Delfyett de la Universidad de Florida Central en Orlando cree que el trabajo es prometedor para trabajos futuros. "Este pulso oscuro en el dominio de la frecuencia es un banco de colores y, si bien su pureza espectral es bastante buena, aún no se ha logrado su posicionamiento exacto", dice. “Sin embargo, el hecho de que puedan hacer esto (crear solitones en un chip con un dispositivo bombeado eléctricamente) es de hecho un avance extremadamente significativo. Sin duda."

La investigación se describe en Naturaleza.

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