Исследователи из Сиднейского университета решили давнюю проблему в лазерах микрочипового масштаба, создав крошечные «лежачие полицейские» в оптических резонаторах устройств. Их цель — получить исключительно «чистый» свет. Этот свет с исключительно узким спектром может быть использован в будущих квантовых компьютерах, передовых навигационных системах, сверхбыстрых сетях связи и высокоточных датчиках.
В новом исследовании, опубликованном в журнале APL Photonics, команда показывает, как устранить критический источник шума в лазерах Бриллюэна — особом классе источников света, известном своей чрезвычайной чистотой. Они создают ультраузкий спектр, который почти представляет собой идеальную одиночную длину волны (или цвет) света.
Проблема шума в лазерах
Свет, производимый такими источниками, как лампочки, имеет широкий спектр длин волн и подходит для повседневного использования, но он слишком «шумный» для точных научных целей, где требуются лазеры. Лазеры Бриллюэна генерируют настолько чистый свет, что их можно использовать в оптических атомных часах, которые теряют секунды в течение многих тысяч лет. Но до сих пор их потенциал ограничивался явлением каскадирования Бриллюэна, при котором возникают «паразитные моды» света и ухудшают производительность.
«Лазеры Бриллюэна являются одними из наиболее когерентных источников света, и вы можете изготовить их в масштабе чипа», — сказал ведущий автор Райан Рассел, кандидат наук в Институте нанотехнологий Сиднейского университета и Школе физики. «Но как только вы пытаетесь увеличить их выходную мощность, они имеют тенденцию разбиваться на множественные паразитные моды. Эти дополнительные моды добавляют шум и крадут энергию у основной моды, которую вы хотите использовать. Для многих реальных приложений это довольно проблематично».
Решение проблемы
Чтобы решить проблему, команда из Сиднея обратилась к «проектированию фотонных запрещённых зон». Они создали наноразмерные особенности — более чем в 100 раз меньше человеческого волоса — непосредственно внутри оптического резонатора лазера. Эти особенности называются «брэгговскими решётками», названными в честь Уильяма и Лоуренса Брэгга, австралийской научной команды отца и сына, которые вместе получили Нобелевскую премию по физике в 1915 году.
«Представьте себе вырезание крошечных лежачих полицейских на гоночной трассе света, предотвращая образование шумных побочных продуктов», — сказал соавтор доктор Мориц Мерклейн, также из Сиднейского наноцентра и исследователь в Центре передового опыта ARC в области оптических микрогребёнок для прорывной науки (COMBS).
«Проще говоря, мы научились укрощать каскад ещё до его начала», — сказал доктор Мерклейн. «Фотонная запрещённая зона устраняет плотность состояний, на которую опираются эти паразитные моды. Без доступных состояний паразитные процессы просто не могут иметь места. Это как пытаться кричать в вакуум космоса — звуку некуда идти».
Результаты поразительны. Когда брэгговская решётка индуцирует мёртвую зону, команда наблюдала шестикратное увеличение минимального порога для генерации бриллюэновского излучения. Это минимальная энергия, необходимая для возбуждения лазерного излучения. При подавлении каскадирования исследователи измерили увеличение мощности основного лазера в 2,5 раза, что напрямую демонстрирует, как метод может повысить производительность.
Важно отметить, что брэгговские решётки переконфигурируемы: их можно записывать, стирать и перенастраивать после создания, используя только лазерный свет, без необходимости переделки устройства. Это позволяет программировать лазеры микрочипового масштаба по требованию для работы с низким уровнем шума в «одномодовом» или каскадном «многомодовом» режиме.
«Это не просто решение для лазеров Бриллюэна», — сказал Рассел. «Это общая основа для управления оптическими процессами на фотонных чипах».
Этот метод управления светом, протекающим через фотонные чипы, должен привести нас к более чистым источникам квантового света и лазеров с частотными гребёнками, которые имеют новые приложения в области связи и передовых навигационных технологий, таких как GPS.
new study published in APL Photonics, the team shows how to eliminate a critical source of noise in Brillouin lasers, a special class of light source known for its extraordinary purity, producing an ultranarrow spectrum that is almost a perfect single wavelength (or color) of light.»,»Light produced from sources like lightbulbs have a broad wavelength spectrum and are fine for everyday use but are too \»noisy\» for precision scientific purposes, where lasers are needed.»,»Brillouin lasers generate light so pure that they can be used in optical atomic clocks, which only lose seconds over many thousands of years. But until now, their potential has been constrained by a phenomenon called Brillouin cascading, in which \»parasitic modes\» of light emerge and degrade performance.»,»\»Brillouin lasers are among the most coherent light sources, and you can make them at chip-scale,\» said lead author Ryan Russell, a Ph.D. candidate at the University of Sydney Nano Institute and School of Physics.»,»\»But once you try to increase their output power, they tend to break up into multiple parasitic modes. These extra modes add noise and steal energy from the fundamental mode, which is the one you want to use. For many real-world applications, that’s quite a problem.\»»,»To solve the problem, the Sydney team turned to \»photonic bandgap engineering.\» By burning in nanoscale features—more than 100 times smaller than a human hair—directly inside the laser’s optical cavity, the researchers created a precise \»dead zone\» that blocks the formation of parasitic modes at their origin, while not impeding the primary mode.»,»These features are called \»Bragg gratings,\» named after William and Lawrence Bragg, an Australian father and son scientific team who together won the 1915 Nobel Prize in Physics.»,»\»Think of it as carving tiny speed bumps into the light’s racetrack, preventing the noisy by-products from forming,\» said co-author Dr. Moritz Merklein, also at Sydney Nano and a researcher in the ARC Center of Excellence in Optical Microcombs for Breakthrough Science (COMBS).»,»\»In simple terms, we’ve learned how to tame the cascade before it even begins,\» Dr. Merklein said. \»The photonic bandgap removes the density of states that these parasitic modes rely on to operate. Without available states, the parasitic processes just cannot take place. It’s like trying to shout into the vacuum of space—the sound has nowhere to go.\»»,»The results are striking. When the Bragg grating induces the dead zone, the team observed a six-fold increase in the minimum threshold for Brillouin lasing. This is the minimum energy required to excite laser emission. With cascading inhibited, the researchers measured a 2.5-times boost in fundamental laser power, directly demonstrating how the method can unlock better performance.»,»Importantly, the Bragg gratings are reconfigurable: they can be written, erased and re-tuned after creation using only laser light, without needing to refabricate the device. This allows chip-scale lasers to be programmed on demand for low-noise \»single-mode\» or cascaded \»multi-mode\» operation.»,»\»This is not just a fix for Brillouin lasers,\» Russell said. \»It’s a general framework for controlling optical processes on photonic chips.\»»,»This method for controlling the light flowing through photonic chips, should lead us to cleaner sources of quantum light and frequency comb lasers, which have emerging applications in communications and advanced navigation technology such as GPS.»,»Research group lead at the University of Sydney and COMBS Chief Investigator, Professor Ben Eggleton, said, \»The ability to engineer the density of states inside a resonator opens the door to totally new classes of light sources and other advanced photonic technologies.\»»,»Dr. Merklein said, \»As we continue to build more complex optical systems onboard miniature chips, having this new degree of control is critical. It lets us push these devices into regimes that were previously off-limits.\»»,»The research highlights Australia’s leadership in integrated photonics and provides a new path toward ultra-stable, high-power and low-noise chip-scale lasers for the next generation of quantum and communication technologies.»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tUniversity of Sydney\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Optics\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник