Donkere solitonen gespot in ringhalfgeleiderlasers – Physics World

Er zijn waargenomen dat donkere solitonen – gebieden met optische uitsterving tegen een heldere achtergrond – zich spontaan vormen in ringhalfgeleiderlasers. De observatie, gemaakt door een internationaal team van onderzoekers, zou kunnen leiden tot verbeteringen in de moleculaire spectroscopie en geïntegreerde opto-elektronica.

Frequentiekammen – gepulseerde lasers die licht uitzenden met gelijkmatig verdeelde frequenties – zijn een van de belangrijkste prestaties in de geschiedenis van de laserfysica. Ze worden soms optische linialen genoemd en vormen de basis van tijd- en frequentiestandaarden en worden gebruikt om veel fundamentele grootheden in de wetenschap te definiëren. Traditionele frequentiekamlasers zijn echter omvangrijk, complex en duur en laserexperts willen graag eenvoudiger versies ontwikkelen die in chips kunnen worden geïntegreerd.

Terwijl ze in 2020 een dergelijke poging ondernamen, ontdekten onderzoekers in Federico KapassoDe groep van Harvard University ontdekte per ongeluk dat een kwantumcascade-ringlaser, nadat hij aanvankelijk in een zeer turbulent regime was terechtgekomen, zich vestigde in een stabiele frequentiekam – zij het één met slechts negen tanden – in het midden-infrarode ‘vingerafdrukgebied’ dat veel wordt gebruikt in moleculaire spectroscopie.

Een ringlaser heeft een optische holte waarin licht rond een gesloten lus wordt geleid en een kwantumcascadelaser is een halfgeleiderapparaat dat infraroodstraling uitzendt.

Onverwachte resultaten

“Al die interessante resultaten kwamen uit een controleapparaat – we hadden niet verwacht dat dit zou gebeuren”, zegt Harvard Marco Piccardo. Na maanden van hoofdbrekens kwamen de onderzoekers erachter dat het effect kan worden begrepen in termen van een instabiliteit in de niet-lineaire differentiaalvergelijking die het systeem beschrijft: de complexe Ginzberg-Landau-vergelijking.

In het nieuwe werk werkten Capasso en collega's samen met onderzoekers in Benedictus Schwarz's groep aan de Technische Universiteit van Wenen. Het Oostenrijkse team had verschillende ontwerpen ontwikkeld voor frequentiekammen op basis van kwantumcascadelasers. De onderzoekers integreerden een golfgeleiderkoppeling in dezelfde chip. Dit maakt het veel gemakkelijker om licht te extraheren en een groter uitgangsvermogen te bereiken. Het stelt de wetenschappers ook in staat de koppelingsverliezen af ​​te stemmen, waardoor de laser tussen zijn frequentiekamregime en het regime waarin hij zou moeten werken als een continue golflaser die continu straling afgeeft, wordt geduwd.

In het ‘continuous wave’-regime gebeurt er echter iets dat zelfs nog vreemder is. Wanneer de laser wordt ingeschakeld, gedraagt ​​deze zich soms gewoon als een continue golflaser, maar als u de laser aan- en uitzet, kunnen er willekeurig een of meer donkere solitonen verschijnen.

Solitonen zijn niet-lineaire, niet-dispersieve, zelfversterkende golfpakketten van straling die zich voor onbepaalde tijd door de ruimte kunnen voortplanten en effectief onveranderd door elkaar kunnen gaan. Ze werden voor het eerst waargenomen in 1834 in watergolven, maar zijn vervolgens waargenomen in tal van andere fysieke systemen, waaronder optica.

Solitonen in kleine openingen

Het verrassende aan deze laatste waarneming is dat de solitonen verschijnen als kleine gaatjes in het continue laserlicht. Deze ogenschijnlijk kleine verandering in de laseremissie veroorzaakt een enorme verandering in het frequentiespectrum.

“Als je het hebt over een continue golflaser, betekent dit dat je in het spectrale domein één enkele monochromatische piek hebt”, legt Piccardo uit. “Deze dip betekent de hele wereld… Deze twee plaatjes zijn met elkaar verbonden door het onzekerheidsprincipe, dus als je iets heel, heel smal in ruimte of tijd hebt, betekent dit dat je in het spectrale domein heel veel modi hebt, en dat je er heel veel hebt, Dankzij de vele modi kun je spectroscopie doen en naar moleculen kijken die over een heel, heel groot spectraal bereik uitzenden.”

Donkere solitonen zijn af en toe al eerder gezien, maar nog nooit in een kleine, elektrisch geïnjecteerde laser als deze. Piccardo zegt dat een donkere soliton spectraal gezien net zo nuttig is als een heldere. Sommige toepassingen, zoals pompsondespectroscopie, vereisen echter heldere pulsen. De technieken die nodig zijn om heldere solitonen uit donkere te produceren zullen het onderwerp zijn van verder onderzoek. De onderzoekers bestuderen ook hoe ze op deterministische wijze solitonen kunnen produceren.

Een cruciaal voordeel van dit kamontwerp voor integratie is dat, omdat licht slechts in één richting in de ringgolfgeleider circuleert, de onderzoekers geloven dat de laser inherent immuun is voor de feedback die veel andere lasers kan verstoren. Er zouden daarom geen magnetische isolatoren nodig zijn, die vaak onmogelijk op commerciële schaal in siliciumchips kunnen worden geïntegreerd.

Met het oog op integratie willen de onderzoekers de techniek uitbreiden tot buiten kwantumcascadelasers. "Ondanks dat de chip erg compact is, hebben kwantumcascadelasers doorgaans hoge spanningen nodig om te kunnen werken, dus ze zijn niet echt een manier om de elektronica op de chip te plaatsen", zegt Piccardo. "Als dit zou kunnen werken in andere lasers, zoals interband-cascadelasers, dan zouden we het hele ding kunnen miniaturiseren en zou het echt op batterijen kunnen werken."

Laserfysicus Peter Delfyett van de University of Central Florida in Orlando gelooft dat het werk veelbelovend is voor toekomstig werk. “Deze donkere puls in het frequentiedomein is een verzameling kleuren en hoewel hun spectrale zuiverheid behoorlijk goed is, is hun exacte positionering nog niet bereikt”, zegt hij. “Het feit dat ze dit echter kunnen doen – solitonen op chip maken met een elektrisch gepompt apparaat – is in feite een enorme vooruitgang. Zonder twijfel."

Het onderzoek is beschreven in NATUUR.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/dark-solitons-spotted-in-ring-semiconductor-lasers/