Темні солітони, виявлені в кільцевих напівпровідникових лазерах – Physics World

У кільцевих напівпровідникових лазерах ми спостерігали спонтанне формування темних солітонів – областей оптичного згасання на яскравому фоні. Спостереження, проведене міжнародною групою дослідників, може призвести до вдосконалення молекулярної спектроскопії та інтегрованої оптоелектроніки.

Частотні гребінки – імпульсні лазери, які випромінюють світло з рівнорознесеними частотами – є одним із найважливіших досягнень в історії лазерної фізики. Іноді їх називають оптичними лінійками, вони є основою стандартів часу та частоти та використовуються для визначення багатьох фундаментальних величин у науці. Однак традиційні частотні гребінчасті лазери є громіздкими, складними та дорогими, тому лазерні експерти зацікавлені в розробці простіших версій, які можна інтегрувати в мікросхеми.

Здійснюючи одну з таких спроб у 2020 році, дослідники в Федеріко КапассоГрупа з Гарвардського університету випадково виявила, що після входу в дуже турбулентний режим квантовий каскадний кільцевий лазер опустився на стабільну частотну гребінку – хоча вона має лише дев’ять зубців – у середньому інфрачервоному діапазоні «відбитків пальців», який широко використовується в молекулярна спектроскопія.

Кільцевий лазер має оптичний резонатор, у якому світло направляється навколо замкнутого контуру, а квантовий каскадний лазер є напівпровідниковим пристроєм, який випромінює інфрачервоне випромінювання.

Несподівані результати

«Усі ці цікаві результати були отримані за допомогою контрольного пристрою – ми не очікували, що це станеться», – каже представник Гарвардського університету. Марко Піккардо. Після кількох місяців головоломки дослідники прийшли до висновку, що ефект можна зрозуміти в термінах нестабільності нелінійного диференціального рівняння, яке описує систему – складного рівняння Гінзберга–Ландау.

У новій роботі Капассо та його колеги об’єдналися з дослідниками в Бенедикт Шварцгрупи у Віденському технологічному університеті. Австрійська команда розробила кілька конструкцій частотних гребінок на основі квантових каскадних лазерів. Дослідники інтегрували хвилевідний з’єднувач у той самий чіп. Це значно полегшує вилучення світла та досягає більшої вихідної потужності. Це також дозволяє вченим регулювати втрати зв’язку, штовхаючи лазер між режимом частотної гребінки та режимом, коли він має працювати як безперервний лазер, який безперервно випромінює випромінювання.

Однак у режимі «безперервної хвилі» відбувається щось ще більш дивне. Іноді, коли лазер увімкнено, він поводиться просто як лазер безперервної хвилі, але вимикання й увімкнення лазера може призвести до випадкової появи одного або кількох темних солітонів.

Солітони — це нелінійні, недисперсійні хвильові пакети випромінювання, що самопідсилюються, які можуть нескінченно поширюватися в просторі та проходити один через одного практично незмінними. Вперше вони були помічені в 1834 році у водних хвилях, але згодом були помічені в багатьох інших фізичних системах, включаючи оптику.

Солітони в крихітних проміжках

Дивовижне в цьому останньому спостереженні те, що солітони виглядають як крихітні проміжки в безперервному лазерному світлі. Ця, очевидно, невелика зміна лазерного випромінювання вносить величезні зміни в його частотний спектр.

«Коли ви говорите про лазер безперервної хвилі, це означає, що в спектральній області у вас є один монохроматичний пік», — пояснює Піккардо. «Це падіння означає весь світ… Ці дві картини пов’язані принципом невизначеності, тому, коли у вас є щось дуже, дуже вузьке в просторі чи часі, це означає, що в спектральній області у вас є багато, багато мод, і багато, багато режимів означає, що ви можете виконувати спектроскопію та дивитися на молекули, які випромінюють у дуже, дуже широкому спектральному діапазоні».

Темні солітони іноді бачили раніше, але ніколи в невеликому електрично інжектованому лазері, як цей. Піккардо каже, що з погляду спектру темний солітон такий же корисний, як і яскравий. Однак деякі програми, такі як спектроскопія з зондом накачування, вимагають яскравих імпульсів. Техніка, необхідна для створення яскравих солітонів із темних, буде предметом подальшої роботи. Дослідники також вивчають, як створити солітони детермінованим способом.

Вирішальною перевагою цієї конструкції гребінця для інтеграції є те, що, оскільки світло циркулює лише в одному напрямку в кільцевому хвилеводі, дослідники вважають, що лазер за своєю суттю несприйнятливий до зворотного зв’язку, який може порушити роботу багатьох інших лазерів. Тому для цього не потрібні магнітні ізолятори, які часто неможливо інтегрувати в кремнієві мікросхеми в комерційних масштабах.

Маючи на увазі інтеграцію, дослідники хочуть розширити техніку за межі квантових каскадних лазерів. «Незважаючи на те, що чіп дійсно компактний, квантові каскадні лазери зазвичай потребують високої напруги для роботи, тому вони не є способом розмістити електроніку на чіпі», — каже Піккардо. «Якби це могло працювати в інших лазерах, таких як міжсмугові каскадні лазери, тоді ми могли б мініатюризувати все це, і воно справді могло б працювати від батареї».

Лазерний фізик Пітер Делфієтт Університету Центральної Флориди в Орландо вважає, що ця робота є перспективною для майбутньої роботи. «Цей темний імпульс у частотній області є набором кольорів, і, хоча їх спектральна чистота досить добра, їх точного позиціонування ще не досягнуто», — говорить він. «Однак той факт, що вони можуть зробити це – створювати солітони на чіпі за допомогою пристрою з електричною накачкою – це насправді надзвичайно значний прогрес. Без сумніву."

Дослідження описано в природа.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/dark-solitons-spotted-in-ring-semiconductor-lasers/