环形半导体激光器中发现暗孤子 – 物理世界

暗孤子——明亮背景下的光学消光区域——被发现在环形半导体激光器中自发形成。该观察结果由国际研究团队进行，可能会促进分子光谱学和集成光电子学的改进。

频率梳——以等间隔频率输出光的脉冲激光器——是激光物理学史上最重要的成就之一。有时被称为光学标尺，它们是时间和频率标准的基础，用于定义科学中的许多基本量。然而，传统的频率梳激光器体积庞大、复杂且昂贵，激光专家热衷于开发可以集成在芯片中的更简单的版本。

在 2020 年进行一项此类尝试时，研究人员 费德里科·卡帕索（Federico Capasso）哈佛大学的研究小组意外地发现，在最初进入高度湍流状态后，量子级联环形激光器在广泛使用的中红外“指纹”区域中稳定下来，形成一个稳定的频率梳（尽管频率梳只有九个齿）。分子光谱学。

环形激光器具有光学腔，光在其中围绕闭环引导，而量子级联激光器是发射红外辐射的半导体器件。

出乎意料的结果

“所有这些有趣的结果都来自控制设备 - 我们没想到会发生这种情况，”哈佛大学说 马可·皮卡尔多。经过几个月的绞尽脑汁，研究人员发现，这种效应可以用描述系统的非线性微分方程（复杂的金兹伯格-朗道方程）的不稳定性来理解。

在这项新工作中，卡帕索和同事与研究人员合作 本尼迪克特·施瓦茨维也纳科技大学的研究小组。奥地利团队开发了几种基于量子级联激光器的频率梳设计。研究人员将波导耦合器集成到同一芯片中。这使得提取光变得更加容易并实现更大的输出功率。它还允许科学家调整耦合损耗，在频率梳状态和应作为连续输出辐射的连续波激光器运行的状态之间推动激光器。

然而，在“连续波”政权中，更奇怪的事情发生了。有时，当激光器打开时，它的行为就像连续波激光器一样，但关闭和打开激光器可能会导致一个或多个暗孤子随机出现。

孤子是一种非线性、非色散、自增强的辐射波包，可以无限地在空间中传播，并且可以有效地相互穿过而不改变。它们于 1834 年首次在水波中被观察到，但随后在包括光学在内的许多其他物理系统中也被发现。

微小间隙中的孤子

这项最新观察结果令人惊讶的是，孤子在连续激光中表现为微小的间隙。激光发射的这种看似微小的变化却使其频谱发生了巨大的变化。

“当你谈论连续波激光器时，这意味着在光谱域中你有一个单色峰，”皮卡多解释道。 “这个倾角意味着整个世界……这两张图片通过不确定性原理相关，所以当你有一些在空间或时间上非常非常狭窄的东西时，这意味着在光谱域中你有很多很多模式，并且有很多，多种模式意味着您可以进行光谱分析并观察在非常非常大的光谱范围内发射的分子。”

以前偶尔会看到暗孤子，但从未在像这样的小型电注入激光器中出现过。皮卡多说，从光谱角度来说，暗孤子和亮孤子一样有用。然而，一些应用（例如泵浦探针光谱学）需要明亮的脉冲。从暗孤子中产生亮孤子所需的技术将是进一步工作的主题。研究人员还在研究如何确定性地产生孤子。

这种梳状集成设计的一个关键优势在于，由于光在环形波导中仅沿一个方向循环，研究人员认为激光器本质上不受可能干扰许多其他激光器的反馈的影响。因此，它不需要磁隔离器，而磁隔离器通常不可能以商业规模集成到硅芯片中。

考虑到集成，研究人员希望将该技术扩展到量子级联激光器之外。 “尽管芯片非常紧凑，但量子级联激光器通常需要高电压才能运行，因此它们并不是真正将电子器件放置在芯片上的方法，”皮卡多说。 “如果这可以用于其他激光器，例如带间级联激光器，那么我们就可以使整个装置小型化，并且它真的可以由电池供电。”

激光物理学家 彼得·德尔菲特 奥兰多中佛罗里达大学的教授认为这项工作为未来的工作带来了希望。 “频域中的暗脉冲是一组颜色，虽然它们的光谱纯度非常好，但它们的精确定位尚未实现，”他说。 “然而，他们可以做到这一点——用电泵器件在芯片上制造孤子——这实际上是一个极其重大的进步。毫无疑问。”

该研究描述于 自然.

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