링 반도체 레이저에서 발견된 어두운 솔리톤 – 물리학 세계

밝은 배경에 대한 광 소멸 영역인 어두운 솔리톤이 링 반도체 레이저에서 자발적으로 형성되는 것으로 나타났습니다. 국제 연구팀이 수행한 이번 관찰은 분자 분광학 및 통합 광전자 공학의 개선으로 이어질 수 있습니다.

주파수 빗(균등한 간격의 주파수로 빛을 출력하는 펄스 레이저)은 레이저 물리학 역사상 가장 중요한 성과 중 하나입니다. 때때로 광학 눈금자라고도 불리는 이는 시간 및 주파수 표준의 기초이며 과학에서 많은 기본 수량을 정의하는 데 사용됩니다. 그러나 기존의 주파수 빗 레이저는 부피가 크고 복잡하며 비용이 많이 들기 때문에 레이저 전문가들은 칩에 통합할 수 있는 보다 간단한 버전을 개발하는 데 열중하고 있습니다.

2020년에 그러한 시도를 하면서, 연구자들은 페데리코 카파소하버드 대학의 연구팀은 처음에 매우 난류가 심한 영역에 들어간 후 양자 캐스케이드 링 레이저가 널리 사용되는 중적외선 "지문" 영역에서 안정적인 주파수 빗(단 9개의 이빨만 있음)에 정착했다는 사실을 우연히 발견했습니다. 분자 분광학.

링 레이저는 폐루프 주위로 빛이 안내되는 광학 공동을 갖고 있으며, 양자 캐스케이드 레이저는 적외선을 방출하는 반도체 장치입니다.

예기치 않은 결과

"모든 흥미로운 결과는 제어 장치에서 나왔습니다. 우리는 이런 일이 일어날 것이라고 예상하지 못했습니다."라고 Harvard는 말합니다. 마르코 피카르도. 몇 달 동안 머리를 긁적인 끝에 연구자들은 시스템을 설명하는 비선형 미분 방정식, 즉 복잡한 Ginzberg-Landau 방정식의 불안정성 측면에서 효과를 이해할 수 있다는 사실을 알아냈습니다.

새로운 연구에서 Capasso와 동료들은 연구원들과 협력했습니다. 베네딕트 슈바르츠비엔나 공과대학교의 그룹입니다. 오스트리아 팀은 양자 캐스케이드 레이저를 기반으로 하는 주파수 빗을 위한 여러 디자인을 개발했습니다. 연구원들은 도파관 커플러를 동일한 칩에 통합했습니다. 이를 통해 빛을 추출하는 것이 훨씬 쉬워지고 더 큰 출력을 얻을 수 있습니다. 또한 이를 통해 과학자들은 결합 손실을 조정하여 레이저를 주파수 빗 영역과 지속적으로 방사선을 출력하는 연속파 레이저로 작동해야 하는 영역 사이에 놓을 수 있습니다.

그러나 "연속파" 체제에서는 더욱 이상한 일이 발생합니다. 때때로 레이저의 스위치를 켜면 단순히 연속파 레이저처럼 작동하지만 레이저를 껐다가 켜면 하나 이상의 어두운 솔리톤이 무작위로 나타날 수 있습니다.

솔리톤은 비선형, 비분산, 자체 강화 방사선 파동 패킷으로, 공간을 무한정 전파하고 효과적으로 변하지 않고 서로 통과할 수 있습니다. 그들은 1834년 파도에서 처음으로 관찰되었지만 이후 광학을 포함한 수많은 다른 물리적 시스템에서도 발견되었습니다.

작은 간격의 솔리톤

이번 최근 관찰에서 놀라운 점은 솔리톤이 연속적인 레이저 광에서 작은 틈으로 나타난다는 것입니다. 레이저 방출의 겉보기에 작은 변화는 주파수 스펙트럼에 엄청난 변화를 가져옵니다.

"연속파 레이저에 관해 이야기할 때 이는 스펙트럼 영역에서 단일 단색 피크가 있음을 의미합니다."라고 Piccardo는 설명합니다. “이 딥은 전 세계를 의미합니다. 이 두 그림은 불확정성 원리에 의해 관련되어 있으므로 공간이나 시간이 매우 좁다는 것은 스펙트럼 영역에 매우 많은 모드가 있고 많은 모드가 있다는 것을 의미합니다. 모드가 많다는 것은 분광학을 수행하고 매우 넓은 스펙트럼 범위에 걸쳐 방출하는 분자를 볼 수 있다는 것을 의미합니다."

이전에도 어두운 솔리톤이 가끔 보였지만 이와 같이 작은 전기 주입 레이저에서는 본 적이 없습니다. Piccardo는 스펙트럼적으로 말하면 어두운 솔리톤이 밝은 솔리톤만큼 유용하다고 말합니다. 그러나 펌프-프로브 분광학과 같은 일부 응용 분야에는 밝은 펄스가 필요합니다. 어두운 솔리톤에서 밝은 솔리톤을 생성하는 데 필요한 기술은 추가 작업의 주제가 될 것입니다. 연구원들은 또한 결정론적으로 솔리톤을 생성하는 방법을 연구하고 있습니다.

통합을 위한 이 빗 디자인의 중요한 장점은 빛이 링 도파관에서 한 방향으로만 순환하므로 연구원들은 레이저가 본질적으로 다른 많은 레이저를 방해할 수 있는 피드백에 면역이라고 믿습니다. 따라서 상업적 규모의 실리콘 칩에 통합하는 것이 종종 불가능한 자기 절연체가 필요하지 않습니다.

통합을 염두에 두고 연구원들은 양자 캐스케이드 레이저 이상으로 기술을 확장하려고 합니다. Piccardo는 “칩이 매우 작음에도 불구하고 양자 캐스케이드 레이저는 일반적으로 작동하려면 고전압이 필요하므로 전자 장치를 칩에 배치하는 방법은 아닙니다.”라고 말합니다. "이것이 대역간 캐스케이드 레이저와 같은 다른 레이저에서 작동할 수 있다면 전체를 소형화할 수 있으며 실제로 배터리로 작동할 수 있습니다."

레이저 물리학자 피터 델피엣 올랜도에 있는 센트럴 플로리다 대학교(University of Central Florida)의 연구진은 이 연구가 미래 연구에 대한 가능성을 갖고 있다고 믿습니다. "주파수 영역의 이 어두운 펄스는 색상 뱅크이며 스펙트럼 순도는 상당히 좋지만 정확한 위치는 아직 달성되지 않았습니다."라고 그는 말합니다. “그러나 그들이 이것을 할 수 있다는 사실, 즉 전기적으로 펌핑되는 장치를 사용하여 솔리톤 온 칩을 만드는 것은 실제로 매우 중요한 발전입니다. 의심없이."

연구는 다음에 설명되어 있습니다. 자연.

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