Mörka solitoner prickade i ringhalvledarlasrar – Physics World

Mörka solitoner – områden med optisk utdöende mot ljusa bakgrunder – har setts spontant bildas i ringhalvledarlasrar. Gjord av ett internationellt team av forskare, kan observationen leda till förbättringar inom molekylär spektroskopi och integrerad optoelektronik.

Frekvenskammar – pulserande lasrar som matar ut ljus med frekvenser på samma avstånd – är en av de viktigaste prestationerna i laserfysikens historia. Ibland kallas de optiska linjaler, de är grunden för tids- och frekvensstandarder och används för att definiera många grundläggande storheter inom vetenskapen. Men traditionella frekvenskamlasrar är skrymmande, komplexa och dyra och laserexperter är angelägna om att utveckla enklare versioner som kan integreras i chips.

Medan de gjorde ett sådant försök 2020, gjorde forskare i Federico Capassos grupp vid Harvard University upptäckte av misstag att, efter att först ha gått in i en mycket turbulent regim, slog sig en kvantkaskadringlaser ner till en stabil frekvenskam – om än en med bara nio tänder – i det mellaninfraröda "fingeravtrycksområdet" som ofta används i molekylär spektroskopi.

En ringlaser har en optisk kavitet i vilken ljus leds runt en sluten slinga och en kvantkaskadlaser är en halvledaranordning som avger infraröd strålning.

Oväntade resultat

"Alla dessa intressanta resultat kom från en kontrollenhet - vi förväntade oss inte att detta skulle hända", säger Harvard's Marco Piccardo. Efter månader av huvudena kom forskarna fram till att effekten kan förstås i termer av en instabilitet i den icke-linjära differentialekvationen som beskriver systemet – den komplexa Ginzberg–Landau-ekvationen.

I det nya arbetet gick Capasso och kollegor ihop med forskare i Benedikt Schwarzs grupp vid Wiens tekniska universitet. Det österrikiska teamet hade utvecklat flera mönster för frekvenskammar baserade på kvantkaskadlasrar. Forskarna integrerade en vågledarkopplare i samma chip. Detta gör det mycket lättare att extrahera ljus och uppnår större uteffekt. Det gör det också möjligt för forskarna att ställa in kopplingsförlusterna och föra lasern mellan dess frekvenskamregim och regimen där den ska fungera som en kontinuerlig våglaser som matar ut strålning kontinuerligt.

I den "kontinuerliga vågen"-regimen händer dock något ännu märkligare. Ibland när lasern är påslagen beter sig den helt enkelt som en laser med kontinuerliga vågor, men om lasern slås av och på kan det göra att en eller flera mörka solitoner dyker upp slumpmässigt.

Solitoner är icke-linjära, icke-dispersiva, självförstärkande vågpaket av strålning som kan fortplanta sig genom rymden på obestämd tid och passera genom varandra i praktiken oförändrade. De observerades först 1834 i vattenvågor men har senare setts i många andra fysiska system inklusive optik.

Solitoner i små luckor

Det överraskande med denna senaste observation är att solitonerna uppträder som små luckor i det kontinuerliga laserljuset. Denna uppenbarligen lilla förändring i laseremissionen gör en enorm förändring av dess frekvensspektrum.

"När man talar om en laser med kontinuerliga vågor betyder det att man i den spektrala domänen har en enda monokromatisk topp", förklarar Piccardo. "Denna nedgång betyder hela världen... Dessa två bilder är relaterade till osäkerhetsprincipen, så när du har något väldigt, väldigt smalt i rum eller tid, betyder det att du i den spektrala domänen har många, många lägen och har många, många lägen innebär att du kan göra spektroskopi och titta på molekyler som emitterar över ett väldigt, väldigt stort spektralområde.”

Mörka solitoner har ibland setts förut, men aldrig i en liten, elektriskt injicerad laser som denna. Piccardo säger att spektralt sett är en mörk soliton lika användbar som en ljus. Vissa applikationer såsom pump-probe spektroskopi kräver dock ljusa pulser. Teknikerna som behövs för att producera ljusa solitoner från mörka kommer att bli föremål för ytterligare arbete. Forskarna studerar också hur man producerar solitoner deterministiskt.

En avgörande fördel med denna kamdesign för integration är att, eftersom ljus cirkulerar i endast en riktning i ringvågledaren, tror forskarna att lasern är naturligt immun mot feedback som kan störa många andra lasrar. Det skulle därför inte kräva magnetiska isolatorer, som ofta är omöjliga att integrera i kiselchips i kommersiell skala.

Med integration i åtanke vill forskarna utöka tekniken bortom kvantkaskadlasrar. "Trots att chippet är riktigt kompakt kräver kvantkaskadlasrar vanligtvis höga spänningar för att fungera, så de är egentligen inte ett sätt att sätta elektroniken på chipet", säger Piccardo. "Om det här kunde fungera i andra lasrar som interbandskaskadlasrar, då skulle vi kunna miniatyrisera det hela och det skulle verkligen kunna drivas med batteri."

Laserfysiker Peter Delfyett från University of Central Florida i Orlando tror att arbetet lovar framtida arbete. "Den här mörka pulsen i frekvensdomänen är en bank av färger och även om deras spektrala renhet är ganska bra, har deras exakta positionering inte uppnåtts - ännu", säger han. "Men det faktum att de kan göra detta - att göra solitoner på chip med en elektriskt pumpad anordning - det är i själva verket ett extremt betydande framsteg. Utan tvekan."

Forskningen beskrivs i Natur.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/dark-solitons-spotted-in-ring-semiconductor-lasers/