เมื่อเร็ว ๆ นี้ ทีมงานของ Qiu-Shi Guo จาก City University of New York และ Alireza Marandi จากสถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนีย ได้ตีพิมพ์บทความเรื่อง "เลเซอร์ล็อคโหมดเร็วมากในนาโนโฟโตนิกลิเธียมไนโอเบต" ในวารสาร Science "ทีมงานได้ผสมผสานการได้รับเลเซอร์ที่สูงของเซมิคอนดักเตอร์ III-V เข้ากับคุณสมบัติทางไฟฟ้าแสงที่ยอดเยี่ยมของลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบาง และประดิษฐ์เลเซอร์แบบล็อคโหมดที่สูบด้วยไฟฟ้าด้วยกำลังพัลส์สูงสุดสูงผ่านการบูรณาการแบบไฮบริดซึ่งมีการทำซ้ำ ความถี่ 10 GHz ใกล้ 1065 นาโนเมตร ความกว้างพัลส์แสง 4.8 ps พลังงานพัลส์มากกว่า 5 pJ และกำลังพีคมากกว่า 0.5 pJ pJ และพีค กำลังมากกว่า 0.5 วัตต์ นอกจากนี้ พลังงานพัลส์เอาต์พุตเลเซอร์และกำลังสูงสุดยังไปถึงระดับสูงสุดของเลเซอร์ที่ล็อคโหมดภายใต้แพลตฟอร์มนาโนโฟโตนิกส์
วัสดุคริสตัลลิเธียมไนโอเบตเป็นวัสดุคริสตัลเทียมที่หายากซึ่งรวมเอาเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริก, อิเล็กโทรออปติคัล, ออปติกออปติก, โฟโตอิลาสติก, ไม่เชิงเส้น, การหักเหของแสงและเอฟเฟกต์เลเซอร์ ฯลฯ ร่วมกับข้อดีของคุณสมบัติทางกลที่มั่นคง การประมวลผลง่าย ทนต่ออุณหภูมิสูง ความต้านทานการกัดกร่อน แหล่งวัตถุดิบที่อุดมสมบูรณ์ ราคาต่ำ และง่ายต่อการเติบโตเป็นผลึกขนาดใหญ่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งหลังจากการใช้สารเจือปนที่แตกต่างกันสามารถแสดงคุณสมบัติพิเศษที่หลากหลาย เป็นคุณสมบัติโฟโตนิกส์ที่ครอบคลุมและครอบคลุมที่สุดที่มีการค้นพบจนถึงตอนนี้ . เป็นคริสตัลที่มีคุณสมบัติโฟโตนิกมากที่สุดและเป็นดัชนีที่ครอบคลุมดีที่สุดที่ผู้คนค้นพบจนถึงปัจจุบัน และมีแนวโน้มการใช้งานในตลาดที่กว้างมาก ดังนั้นจึงเป็นที่รู้จักในชื่อวัสดุ "ซิลิกอนแสง" ในยุคโฟโตนิก และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในตัวกรองประสิทธิภาพสูง อุปกรณ์ไฟฟ้าออปติคัล การจัดเก็บโฮโลแกรม การแสดงโฮโลแกรม 3 มิติ อุปกรณ์ออปติคัลแบบไม่เชิงเส้น และการสื่อสารควอนตัมแบบออปติคัล
เลเซอร์ที่ล็อคโหมดสามารถสร้างพัลส์แสงที่เข้มข้นและต่อเนื่องกันเกินขีดบนมาตราส่วนเวลาพิโควินาทีและเฟมโตวินาที และด้วยเหตุนี้จึงสามารถตระหนักถึงการใช้งานในสาขาที่ล้ำสมัย เช่น เลนส์ที่ไม่เชิงเส้นมาก นาฬิกาอะตอมแบบแสง หวีความถี่แสง การสร้างภาพทางชีวภาพ และการประมวลผลโฟโตนิก อย่างไรก็ตาม เลเซอร์ล็อคโหมดแบบเดิมในปัจจุบันมีข้อเสียคือราคาสูง การใช้พลังงานสูง และขนาดใหญ่ และเลเซอร์ล็อคโหมดที่อิงตามการรวมที่ต่างกันของเซมิคอนดักเตอร์ III-V กับแพลตฟอร์มนาโนโฟโตนิกลิเธียมไนโอเบต คาดว่าจะได้รับกำลังขับที่สูงขึ้น และความสามารถในการปรับแต่งที่สูงขึ้น เทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องจึงได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางจากนักวิจัย
ทีมวิจัยมุ่งเป้าไปที่คอขวดทางเทคโนโลยีในด้านเลเซอร์ที่ล็อคโหมด โดยได้เจาะทะลุข้อจำกัดด้านขนาดของเลเซอร์ที่ล็อคโหมดแบบดั้งเดิมโดยการบูรณาการตัวกลางที่ได้รับ III-V และตัวปรับเฟสลิเธียมไนโอเบต และตระหนักถึงเลเซอร์ที่ล็อคโหมด ด้วยประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมในขณะที่ลดขนาดลงเหลือระดับชิป
เลเซอร์ที่ล็อคโหมดสามารถแบ่งออกเป็นสองกลไก: การล็อคโหมดแบบพาสซีฟและการล็อคโหมดที่ใช้งานอยู่ ดังที่แสดงในรูป (A) ด้านล่าง เพื่อให้ทราบถึงการล็อคโหมดที่ใช้งานอยู่ของเลเซอร์ ผู้เขียนได้เพิ่มตัวปรับเฟสไฟฟ้าออปติกโดยใช้ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางภายในช่องเรโซแนนซ์ของเลเซอร์ เนื่องจากดัชนีการหักเหของลิเธียมไนโอเบตเปลี่ยนแปลงเป็นระยะภายใต้เอฟเฟกต์อิเล็กโทรออปติก ซึ่งส่งผลให้พัลส์แสงไม่สามารถรักษาสถานะคงที่ภายในโพรงได้ ทีมวิจัยจึงได้ออกแบบการจับคู่ที่ดีระหว่างระยะเวลาการปรับเฟสและรอบ- เวลาการเดินทางของพัลส์แสงภายในช่อง และใช้การชดเชยการกระจายเพื่อให้เข้ากันได้ดีกับช่วงเวลามอดูเลตเฟส ดังนั้น การวิจัยยังได้รับการออกแบบเพื่อให้เกิดการจับคู่ที่ดีระหว่างระยะเวลาการปรับเฟสและเวลาไปกลับของพัลส์แสงในช่อง และใช้การกระจายเพื่อชดเชยเสียงร้องที่สะสม และชดเชยการสูญเสียพัลส์แสงตาม การเพิ่มของเลเซอร์ และในที่สุดก็ตระหนักถึงการล็อคเฟส ดังแสดงในรูปต่อไปนี้ (BC) แผนผังของเลเซอร์บนชิปที่ล็อคโหมดลิเธียมไนโอเบตแบบบูรณาการที่เกิดขึ้นจะแสดงในรูปต่อไปนี้ (D)
รูปภาพ
หลักการทำงานและแผนผังอุปกรณ์ของเลเซอร์บนชิปที่ล็อคโหมดลิเธียมไนโอเบตในตัว
ทีมวิจัยระบุว่า ด้วยกำลังขับสูงสุดและความสามารถในการควบคุมความถี่ที่แม่นยำ คาดว่าเลเซอร์แบบล็อคโหมดจะสร้างระบบออปติคัลแบบไม่เชิงเส้นที่รวดเร็วเป็นพิเศษพร้อมการบูรณาการบนชิปเต็มรูปแบบ จึงทำให้เกิดหวีความถี่ออปติคอล แหล่งกำเนิดแสงต่อเนื่องยิ่งยวด และอะตอม นาฬิกาที่มีการล็อคความถี่เต็ม สิ่งนี้จะช่วยอำนวยความสะดวกในการพัฒนาการสื่อสารด้วยแสง การสร้างภาพทางการแพทย์ การวัดที่แม่นยำ คอมพิวเตอร์ และสาขาอื่นๆ อย่างมาก "ในระยะยาว เลเซอร์ที่ล็อคโหมดบนชิปอาจมีการใช้งานที่ไม่สามารถทดแทนได้ในด้านการสื่อสารที่สอดคล้องกัน การกำหนดเวลาที่แม่นยำ และการวัดที่แม่นยำ"
ภาพ.
ผลการวิเคราะห์การปรับจูนปัจจุบันของเลเซอร์ล็อคโหมดแอคทีฟในตัว
นอกจากนี้ เลเซอร์ล็อคโหมดโซลิดสเตตและไฟเบอร์แบบธรรมดาที่ใช้กลไกการล็อคโหมดที่ใช้งานอยู่สามารถทำการล็อคโหมดได้ภายในช่วงความถี่มอดูเลตภายนอกที่จำกัดเท่านั้น และเมื่อความถี่มอดูเลตภายนอกเกินช่วงที่เกี่ยวข้อง เอาต์พุตเลเซอร์แบบออปติคอล ชีพจรจะสูญเสียความสัมพันธ์เฟสคงที่ (กล่าวคือ สูญเสียการเชื่อมโยงกัน) ดังแสดงในรูปด้านบน เมื่อเปรียบเทียบกับเลเซอร์ล็อคโหมดแอคทีฟทั่วไป เลเซอร์ล็อคโหมดลิเธียมไนโอเบตบนชิปแบบบูรณาการที่เกิดขึ้นในการศึกษานี้มีช่วงความถี่การทำซ้ำของพัลส์ที่ปรับได้ขนาดใหญ่ และสามารถสร้างพัลส์แสงที่สอดคล้องกันใน ช่วงความถี่การมอดูเลต 200 MHz นอกจากนี้ ความถี่พาหะและความถี่การเกิดซ้ำของพัลส์ของเลเซอร์พัลซ์สามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างมีนัยสำคัญโดยการปรับกระแสปั๊มหรือความถี่มอดูเลตของเลเซอร์ ซึ่งหมายความว่าเลเซอร์ที่ล็อคโหมดสามารถจัดการได้หลายวิธี ด้วยการป้อนกลับอย่างแม่นยำในการควบคุมกระแสปั๊มของเลเซอร์หรือความถี่มอดูเลชั่น ความถี่การเกิดซ้ำของพัลส์และความถี่พาหะของเลเซอร์จึงสามารถควบคุมได้อย่างแม่นยำ ส่งผลให้มีหวีความถี่แสงที่สามารถควบคุมความถี่ได้อย่างแม่นยำ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในความถี่ที่แม่นยำ การวัด
เลเซอร์ล็อคโหมดเซมิคอนดักเตอร์ทั่วไปมักจะรวมบริเวณเกนและตัวดูดซับที่อิ่มตัว (องค์ประกอบล็อคโหมด) บนชิปเซมิคอนดักเตอร์ตัวเดียวกัน เนื่องจากไดนามิกของพาหะที่ซับซ้อนของเซมิคอนดักเตอร์ไทรโบไฟว์ เลเซอร์สามารถสร้างพัลส์ที่สั้นมากได้เฉพาะในพื้นที่การทำงานของปั๊มที่ขับเคลื่อนด้วยกระแสแคบมากเท่านั้น ซึ่งไม่เอื้อต่อการสร้างเอาท์พุตเลเซอร์กำลังสูง อย่างไรก็ตาม การศึกษาครั้งนี้ปลดปล่อยความสามารถในการส่งออกพลังงานสูงของเซมิคอนดักเตอร์ไทรโบไฟว์ได้อย่างเต็มที่ โดยการใช้ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางเป็นองค์ประกอบล็อคโหมดที่ใช้งานอยู่
จากคุณสมบัติอันยอดเยี่ยมของลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบาง ทีมงานได้รับผลลัพธ์มากมายในด้านของลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบาง ระบบออพติคแบบรวมและออพติกแบบไม่เชิงเส้น ตัวอย่างเช่น เอฟเฟกต์แสงแบบไม่เชิงเส้นลำดับที่สองของลิเธียมไนโอเบตนาโนโฟโตนิกส์แบบฟิล์มบางถูกนำมาใช้เพื่อสาธิตการสลับแสงทั้งหมดที่เร็วที่สุด (46 เฟมโตวินาที) พลังงานต่ำเป็นพิเศษ (80 เฟมโทไคเนติก) บนแพลตฟอร์มออปติกแบบรวมจนถึงปัจจุบัน บนแพลตฟอร์มลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบาง เรายังพบว่ามีแอมพลิฟายเออร์พาราเมตริกแบบออปติคอลที่มีอัตราขยายสูงมาก (100 dB/ซม.) และแบนด์วิดท์เกนขนาดใหญ่มาก (600 นาโนเมตร) ซึ่งเป็นช่วงกว้างของออสซิลเลเตอร์แบบออปติคัลพาราเมตริกที่ปรับความถี่ได้ และ การบีบอัดควอนตัมสูงสุด (4.9 dB) ในด้านออพติกแบบรวมจนถึงปัจจุบัน
Ian S. Osborne บรรณาธิการฝ่ายวิทยาศาสตร์ กล่าวชื่นชมงานวิจัยนี้ว่า "เลเซอร์แบบล็อคโหมดเป็นเทคโนโลยีล้ำหน้าในสาขาวิทยาศาสตร์ที่เร็วมาก ซึ่งช่วยให้สามารถหวีความถี่ด้วยพัลส์แสงที่เชื่อมโยงกันแบบสั้นเกินขีดและระยะห่างที่แม่นยำ ด้วยการบูรณาการสื่อรับ III-V เข้ากับ โมดูเลเตอร์เฟสลิเธียมไนโอเบต เราได้ทำลายข้อจำกัดด้านขนาดของเลเซอร์ที่ล็อคโหมดแบบเดิมและได้ตระหนักถึงเลเซอร์ที่ล็อคโหมดด้วยประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมในขณะที่ลดขนาดลงเหลือขนาดชิป ผลการวิจัยนี้คาดว่าจะมีการใช้งานจริงในแนวหน้า เช่นการวัดที่แม่นยำและสเปกโทรสโกปี"
