Soliton gelap terlihat pada laser semikonduktor cincin – Dunia Fisika

Soliton gelap terlihat pada laser semikonduktor cincin – Dunia Fisika

Stempel Waktu: 31 Januari 2024 8
Node Sumber: 3091165


Gambar stok menunjukkan cahaya pada frekuensi berbeda
Kegelapan dan terang: soliton gelap telah diciptakan dalam laser yang disuntikkan secara elektrik. (Sumber: iStock/agsandrew)

Soliton gelap – wilayah kepunahan optik dengan latar belakang terang – terlihat terbentuk secara spontan dalam laser semikonduktor cincin. Penelitian yang dilakukan oleh tim peneliti internasional ini dapat mengarah pada perbaikan dalam spektroskopi molekuler dan optoelektronik terintegrasi.

Sisir frekuensi – laser berdenyut yang mengeluarkan cahaya dengan frekuensi yang sama – adalah salah satu pencapaian terpenting dalam sejarah fisika laser. Kadang-kadang disebut sebagai penggaris optik, penggaris ini merupakan dasar standar waktu dan frekuensi dan digunakan untuk menentukan banyak besaran fundamental dalam sains. Namun, laser sisir frekuensi tradisional berukuran besar, rumit, dan mahal, dan para ahli laser tertarik untuk mengembangkan versi yang lebih sederhana yang dapat diintegrasikan ke dalam chip.

Saat melakukan salah satu upaya serupa pada tahun 2020, para peneliti di Federico CapassoKelompok 's di Universitas Harvard secara tidak sengaja menemukan bahwa, setelah awalnya memasuki rezim yang sangat bergejolak, laser cincin kaskade kuantum ditempatkan pada sisir frekuensi stabil – meskipun hanya memiliki sembilan gigi – di wilayah “sidik jari” inframerah-tengah yang banyak digunakan dalam penelitian. spektroskopi molekuler.

Laser cincin memiliki rongga optik tempat cahaya dipandu mengelilingi loop tertutup dan laser kaskade kuantum adalah perangkat semikonduktor yang memancarkan radiasi infra merah.

Hasil yang tidak terduga

“Semua hasil menarik tersebut dihasilkan dari perangkat kontrol – kami tidak menyangka hal ini akan terjadi,” kata Harvard Marco Piccardo. Setelah berbulan-bulan melakukan penelitian, para peneliti menemukan bahwa efeknya dapat dipahami dalam bentuk ketidakstabilan dalam persamaan diferensial non-linier yang menggambarkan sistem – persamaan kompleks Ginzberg – Landau.

Dalam penelitian barunya, Capasso dan rekannya bekerja sama dengan peneliti di Benediktus Schwarzkelompok di Universitas Teknologi Wina. Tim Austria telah mengembangkan beberapa desain sisir frekuensi berdasarkan laser kaskade kuantum. Para peneliti mengintegrasikan coupler pandu gelombang ke dalam chip yang sama. Hal ini membuatnya lebih mudah untuk mengekstraksi cahaya dan menghasilkan daya keluaran yang lebih besar. Hal ini juga memungkinkan para ilmuwan untuk menyesuaikan kerugian kopling, mendorong laser antara rezim sisir frekuensi dan rezim dimana ia harus beroperasi sebagai laser gelombang kontinu yang mengeluarkan radiasi secara terus menerus.

Namun, dalam rezim “gelombang berkelanjutan”, sesuatu yang lebih aneh terjadi. Kadang-kadang ketika laser dinyalakan, ia berperilaku seperti laser gelombang kontinu, namun mematikan dan menghidupkan laser dapat menyebabkan satu atau lebih soliton gelap muncul secara acak.

Soliton adalah paket gelombang radiasi non-linier, non-dispersif, dan dapat menguatkan dirinya sendiri yang dapat merambat melalui ruang tanpa batas waktu dan melewati satu sama lain secara efektif tanpa perubahan. Mereka pertama kali diamati pada tahun 1834 dalam gelombang air tetapi kemudian terlihat di banyak sistem fisik lainnya termasuk optik.

Soliton di celah kecil

Hal yang mengejutkan tentang pengamatan terbaru ini adalah soliton muncul sebagai celah kecil dalam sinar laser yang terus menerus. Perubahan kecil pada emisi laser ini menyebabkan perubahan besar pada spektrum frekuensinya.

“Ketika Anda berbicara tentang laser gelombang kontinu, itu berarti bahwa dalam domain spektral Anda memiliki satu puncak monokromatik,” jelas Piccardo. “Penurunan ini berarti seluruh dunia… Kedua gambar ini terkait dengan prinsip ketidakpastian, jadi ketika Anda memiliki sesuatu yang sangat, sangat sempit dalam ruang atau waktu, itu berarti bahwa dalam domain spektral Anda memiliki banyak mode, dan memiliki banyak, banyak mode berarti Anda dapat melakukan spektroskopi dan melihat molekul yang memancarkan rentang spektral yang sangat, sangat besar.”

Soliton gelap kadang-kadang terlihat sebelumnya, tetapi belum pernah terlihat pada laser kecil yang disuntikkan secara elektrik seperti ini. Piccardo mengatakan bahwa secara spektral, soliton gelap sama bergunanya dengan soliton terang. Namun, beberapa aplikasi seperti spektroskopi probe pompa memerlukan pulsa yang terang. Teknik yang diperlukan untuk menghasilkan soliton terang dari soliton gelap akan menjadi bahan penelitian lebih lanjut. Para peneliti juga mempelajari cara menghasilkan soliton secara deterministik.

Keuntungan penting dari desain sisir untuk integrasi ini adalah, karena cahaya bersirkulasi hanya dalam satu arah dalam pandu gelombang cincin, para peneliti percaya bahwa laser secara inheren kebal terhadap umpan balik yang dapat mengganggu banyak laser lainnya. Oleh karena itu, isolator magnetik tidak diperlukan, yang seringkali tidak mungkin diintegrasikan ke dalam chip silikon pada skala komersial.

Dengan mempertimbangkan integrasi, para peneliti ingin memperluas teknik ini melampaui laser kaskade kuantum. “Meskipun chipnya sangat kompak, laser kaskade kuantum biasanya memerlukan tegangan tinggi untuk beroperasi, jadi ini bukanlah cara yang tepat untuk memasukkan perangkat elektronik ke dalam chip,” kata Piccardo. “Jika ini bisa bekerja pada laser lain seperti laser kaskade interband, maka kita bisa memperkecil semuanya dan itu benar-benar bisa dioperasikan dengan baterai.”

Fisikawan laser Peter Delfyett dari University Of Central Florida di Orlando percaya bahwa pekerjaan ini menjanjikan untuk pekerjaan di masa depan. “Denyut gelap dalam domain frekuensi ini adalah kumpulan warna dan, meskipun kemurnian spektralnya cukup baik, posisi pastinya masih belum tercapai,” katanya. “Namun, fakta bahwa mereka dapat melakukan hal ini – membuat soliton dalam chip dengan perangkat yang dipompa secara listrik – sebenarnya merupakan kemajuan yang sangat signifikan. Tanpa keraguan."

Penelitian tersebut dijelaskan dalam Alam.

Stempel Waktu:

Lebih dari Dunia Fisika