リング半導体レーザーでダークソリトンを発見 – Physics World

暗いソリトン (明るい背景に対する光の減衰領域) がリング半導体レーザー内で自然発生的に形成されるのが観察されています。国際的な研究者チームによって行われたこの観察は、分子分光法や統合型オプトエレクトロニクスの改善につながる可能性がある。

周波数コム (等間隔の周波数で光を出力するパルスレーザー) は、レーザー物理学の歴史の中で最も重要な成果の 1 つです。光学定規とも呼ばれるこれらは、時間と周波数の基準の基礎であり、科学における多くの基本量を定義するために使用されます。しかし、従来の周波数コムレーザーは大きく、複雑で高価であるため、レーザーの専門家はチップに統合できるより単純なバージョンの開発に熱心です。

2020年にそのような試みを行っている間、研究者たちは フェデリコ・カパッソハーバード大学の研究グループは、量子カスケードリングレーザーが、最初は非常に乱流状態に入った後、世界で広く使用されている中赤外「指紋」領域で、たとえ9つの歯しか持たなかったとしても、安定した周波数コムに落ち着いたことを偶然発見した。分子分光法。

リング レーザーは、光が閉ループの周りを導かれる光共振器を備えており、量子カスケード レーザーは赤外線を放射する半導体デバイスです。

予期しない結果

「これらの興味深い結果はすべて制御装置から得られたものでした。私たちはこのようなことが起こるとは予想していませんでした」とハーバード大学は述べています。 マルコ・ピカルド。何ヶ月も頭を悩ませた後、研究者らは、その影響がシステムを記述する非線形微分方程式、つまり複雑なギンツベルグ・ランダウ方程式の不安定性の観点から理解できることを発見しました。

新しい研究で、カパッソ氏らは研究者らと協力した。 ベネディクト・シュワルツウィーン工科大学のグループ。オーストリアのチームは、量子カスケードレーザーに基づいた周波数コムのいくつかの設計を開発しました。研究者らは導波路結合器を同じチップに統合した。これにより、光を取り出しやすくなり、より大きな出力が得られます。また、科学者は、結合損失を調整して、周波数コム領域と、連続的に放射を出力する連続波レーザーとして動作する領域との間でレーザーを微調整することもできます。

しかし、「継続的な波」体制では、さらに奇妙なことが起こります。レーザーのスイッチをオンにすると、単純に連続波レーザーとして動作する場合がありますが、レーザーをオフにしたりオンにしたりすると、1 つまたは複数の暗いソリトンがランダムに表示されることがあります。

ソリトンは、非線形、非分散、自己強化型の放射線の波束であり、空間を無限に伝播し、事実上変化せずに相互に通過することができます。それらは 1834 年に水波で初めて観察されましたが、その後、光学系を含む他の多くの物理システムでも観察されました。

小さな隙間のソリトン

この最新の観測で驚くべきことは、ソリトンが連続レーザー光の小さな隙間として現れることです。レーザー放射におけるこの一見小さな変化は、その周波数スペクトルに大きな変化をもたらします。

「連続波レーザーについて話すとき、それはスペクトル領域に単一の単色ピークがあることを意味します」と Piccardo 氏は説明します。 「このディップは全世界を意味します…これらの 2 つの写真は不確定性原理によって関連付けられています。したがって、空間または時間において非常に非常に狭いものがあるということは、スペクトル領域では非常に多くのモードがあり、多くのモードがあることを意味します。モードが多いということは、分光法を実行して、非常に広いスペクトル範囲にわたって発光する分子を観察できることを意味します。」

暗いソリトンはこれまでにも時折見られたことがありましたが、このような小型の電気的に注入されたレーザーでは初めて見られました。ピカルド氏は、スペクトル的に言えば、暗いソリトンは明るいソリトンと同じくらい有用であると述べています。ただし、ポンププローブ分光法などの一部のアプリケーションでは明るいパルスが必要です。暗いソリトンから明るいソリトンを生成するために必要な技術は、さらなる研究の対象となるでしょう。研究者らは、ソリトンを決定論的に生成する方法も研究している。

このコーム設計の統合における重要な利点は、光がリング導波路内を一方向にのみ循環するため、レーザーは他の多くのレーザーを妨害する可能性のあるフィードバックの影響を本質的に受けないと研究者らは考えていることです。したがって、商業規模でシリコンチップに統合するのは不可能なことが多い磁気アイソレータは必要ありません。

研究者らは統合を念頭に置いて、この技術を量子カスケードレーザーを超えて拡張したいと考えている。 「チップは非常にコンパクトであるにもかかわらず、量子カスケードレーザーは通常、動作するために高電圧を必要とするため、実際にはチップ上に電子機器を搭載する方法ではありません」とピッカルド氏は言う。 「これがバンド間カスケードレーザーなどの他のレーザーでも機能すれば、全体を小型化でき、実際にバッテリー駆動できるようになるでしょう。」

レーザー物理学者 ピーター・デルフィエット オーランドのセントラルフロリダ大学の教授らは、この研究が将来の研究に有望であると信じている。 「周波数領域におけるこの暗いパルスは色のバンクであり、そのスペクトル純度は非常に優れていますが、正確な位置はまだ達成されていません」と彼は言います。 「しかし、電気的にポンピングされたデバイスを使用してチップ上にソリトンを作成することができるという事実は、実際には非常に重要な進歩です。疑いなく。"

研究はで説明されています 自然.

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