В кольцевых полупроводниковых лазерах обнаружены темные солитоны

Темные солитоны – области оптического гашения на ярком фоне – были замечены спонтанно образующимися в кольцевых полупроводниковых лазерах. Это наблюдение, сделанное международной командой исследователей, может привести к улучшению молекулярной спектроскопии и интегрированной оптоэлектроники.

Частотные гребенки — импульсные лазеры, излучающие свет с равноотстоящими частотами — являются одним из наиболее важных достижений в истории лазерной физики. Иногда называемые оптическими линейками, они являются основой стандартов времени и частоты и используются для определения многих фундаментальных величин в науке. Однако традиционные гребенчатые лазеры громоздки, сложны и дороги, и эксперты по лазерам стремятся разработать более простые версии, которые можно будет интегрировать в чипы.

Предприняв одну такую ​​попытку в 2020 году, исследователи из Федерико КапассоГруппа ученых из Гарвардского университета случайно обнаружила, что после первоначального входа в высокотурбулентный режим квантовый каскадный кольцевой лазер стабилизировался на стабильной частотной гребенке – хотя и с девятью зубцами – в средней инфракрасной области «отпечатков пальцев», широко используемой в молекулярная спектроскопия.

Кольцевой лазер имеет оптический резонатор, в котором свет направляется по замкнутому контуру, а квантовый каскадный лазер представляет собой полупроводниковое устройство, излучающее инфракрасное излучение.

Неожиданные результаты

«Все эти интересные результаты были получены с помощью управляющего устройства — мы не ожидали, что это произойдет», — говорит Гарвардский университет. Марко Пиккардо. После нескольких месяцев ломания головы исследователи пришли к выводу, что эффект можно объяснить нестабильностью нелинейного дифференциального уравнения, описывающего систему, – сложного уравнения Гинзберга–Ландау.

В новой работе Капассо и его коллеги объединились с исследователями из Бенедикт Шварцгруппа в Венском технологическом университете. Австрийская группа разработала несколько конструкций частотных гребенок на основе квантовых каскадных лазеров. Исследователи интегрировали волноводный соединитель в тот же чип. Это значительно облегчает извлечение света и обеспечивает большую выходную мощность. Это также позволяет ученым настраивать потери связи, переводя лазер между режимом гребенки частот и режимом, в котором он должен работать как лазер непрерывного действия, непрерывно излучающий излучение.

Однако в режиме «непрерывной волны» происходит нечто еще более странное. Иногда, когда лазер включен, он ведет себя просто как лазер непрерывного действия, но выключение и включение лазера может привести к случайному появлению одного или нескольких темных солитонов.

Солитоны — это нелинейные, недисперсионные, самоусиливающиеся волновые пакеты излучения, которые могут распространяться в пространстве бесконечно и проходить друг через друга практически без изменений. Впервые они были обнаружены в 1834 году в водных волнах, но впоследствии были замечены во многих других физических системах, включая оптику.

Солитоны в крошечных зазорах

Самое удивительное в этом последнем наблюдении то, что солитоны выглядят как крошечные промежутки в непрерывном лазерном свете. Это, казалось бы, небольшое изменение в лазерном излучении приводит к огромным изменениям в его частотном спектре.

«Когда вы говорите о лазере непрерывного действия, это означает, что в спектральной области у вас есть один монохроматический пик», — объясняет Пиккардо. «Этот провал означает весь мир… Эти две картины связаны принципом неопределенности, поэтому, когда у вас есть что-то очень, очень узкое в пространстве или времени, это означает, что в спектральной области у вас есть много-много мод, и имея много, Наличие большого количества режимов означает, что вы можете заниматься спектроскопией и смотреть на молекулы, излучающие в очень, очень широком спектральном диапазоне».

Темные солитоны иногда наблюдались и раньше, но никогда в таком маленьком лазере с электрической инжекцией, как этот. Пиккардо говорит, что со спектральной точки зрения темный солитон так же полезен, как и светлый. Однако некоторые приложения, такие как спектроскопия накачки-зонда, требуют ярких импульсов. Методы получения светлых солитонов из темных станут предметом дальнейших исследований. Исследователи также изучают, как детерминированно создавать солитоны.

Решающим преимуществом этой конструкции гребенки для интеграции является то, что, поскольку свет циркулирует в кольцевом волноводе только в одном направлении, исследователи полагают, что лазер по своей природе невосприимчив к обратной связи, которая может нарушить работу многих других лазеров. Поэтому не потребуются магнитные изоляторы, которые зачастую невозможно интегрировать в кремниевые чипы в промышленных масштабах.

Имея в виду интеграцию, исследователи хотят расширить эту технику за пределы квантово-каскадных лазеров. «Несмотря на то, что чип очень компактен, для работы квантово-каскадных лазеров обычно требуется высокое напряжение, поэтому на самом деле они не являются способом размещения электроники на чипе», — говорит Пиккардо. «Если бы это могло работать в других лазерах, таких как междиапазонные каскадные лазеры, тогда мы могли бы миниатюризировать все это, и оно действительно могло бы работать от батареи».

Лазерный физик Питер Делфиетт из Университета Центральной Флориды в Орландо считает, что эта работа обещает будущее. «Этот темный импульс в частотной области представляет собой банк цветов, и, хотя их спектральная чистота довольно хороша, их точное позиционирование еще не достигнуто», — говорит он. «Однако тот факт, что они могут сделать это – создавать солитоны на кристалле с помощью устройства с электрической накачкой – на самом деле является чрезвычайно значительным достижением. Без сомнения."

Исследование описано в природа.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/dark-solitons-spotted-in-ring-semiconductor-lasers/