В современном мире лазеры применяются в самых разных отраслях. Создание микролазеров, генерирующих красный и синий свет, уже давно не является проблемой. Однако уже многие годы научное сообщество пытается достичь зеленого света в микролазерах. Ученые из Национального института стандартов и технологий (США) разработали новое лазерное устройство, способное свет не только зеленого, но и оранжевого и желтого цветов. Из чего состоит устройство, как именно оно работает, и какого может быть его практическое применение? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.
Основа исследования
Изображение №1
Компактные видимые лазеры являются большой пользой для очень многих разработок, от лазерного освещения и дисплеев до медицинской диагностики и квантовых технологий. Хотя в области синей и красной длин волн был достигнут прогресс, нехватка эффективных и компактных источников зеленого лазера, также известная как проблема «зеленой зоны» («green gap») (1a), по-прежнему остается. Полупроводниковые лазеры III-V обеспечивают убедительное сочетание эффективности и малого размера, но они требуют ватт входной мощности и часто (особенно на длинах волн «зеленой зоны») не обладают спектральной чистотой, необходимой для приложений с высокой когерентностью. Инжекционная синхронизация диодных лазеров Фабри-Перо с микрорезонаторами высокой точности может улучшить когерентность, но выходные длины волн ограничены доступностью лазеров накачки и до сих пор плавно перестраиваются всего в пределах нескольких ГГц. На 1a показано сравнение различных коммерческих решений проблемы зеленой зоны, расположенные по размеру и диапазону длин волн.
Другой способ получения зеленого лазерного света — через нелинейные оптические процессы. Это стратегия, принятая в большинстве отраслей промышленности, и она предлагает приемлемый путь к масштабируемости через фотонную интеграцию, поскольку малые оптические объемы способствуют эффективному нелинейному взаимодействию (коммерческие приборы, использующие объемные оптические компоненты, обычно имеют размер ≈ 1 м3). Например, нелинейные микрорезонаторы могут генерировать частотные гармоники лазеров накачки ближнего инфракрасного диапазона для получения видимого света, хотя и с ограниченной возможностью настройки длины волны. В качестве альтернативы, широко разделенные оптические параметрические колебания Керра (OPO от optical parametric oscillation) являются потенциально эфективным подходом к генерации видимого света путем четырехволнового смешения (FWM от four-wave mixing), например, из накачки ближнего инфракрасного диапазона.
В последние годы исследовался OPO на основе FWM в оптических микрорезонаторах (авторы исследования называют такие устройства «μOPO»). В этих системах энергия от монохроматического лазера накачки с частотой νp передается в сине-смещенную сигнальную волну (νs) и смещенную в красную сторону холостую волну (νi), как показано на 1a. Видимые μOPO могут работать с пороговыми мощностями на уровне милливатт и показали эффективность преобразования накачки в боковую полосу до 15%. На 1b представлено сравнение рабочих длин волн и спектральных разделений (νs-νi), описанные в нескольких исследованиях μOPO. Важно, что были описаны частоты сигнала в зеленом спектре, но самая высокая частота, описанная до сих пор, составляет ≈ 548,9 ТГц, что на ≈ 14.6 ТГц меньше края зеленой зоны. Кроме того, выходная мощность и длина волны μOPO чувствительны к внешним параметрам, таким как температура, мощность накачки и расстройка резонатора накачки, а также к геометрии микрокольца. Эти чувствительности имеют тенденцию расти пропорционально разделению μOPO (νs-νi) и, следовательно, представляют собой серьезную проблему для μOPO, нацеленных на более полное покрытие зеленой зоны.
В рассматриваемом нами сегодня руде ученые использовали μOPO для доступа ко всей зеленой зоне, достигая наивысшей частоты ≈ 563.51 ТГц, увеличивая доступ к длине волны на ≈ 14.2 нм по сравнению с предыдущим рекордом и повышая надежность в отношении изменений параметров. Используя всего четыре устройства, возможно выборочно генерировать >150 μOPO, каждый с уникальной частотой сигнала зеленой зоны, которая отделена от своего ближайшего соседа примерно на свободный спектральный диапазон микрорезонатора (FSR от free spectral range). Этот прорыв стал возможен благодаря новой конструкции дисперсии, в которой подложка частично вытравлена, так что большая часть микрорезонатора покрыта воздухом.
Результаты исследования
Структура устройства
Изображение №2
Выше представлена схема номинального микрокольцевого устройства, а также моделирование хроматической дисперсии. Микрокольца были изготовлены из стехиометрического нитрида кремния (Si3N4, далее обозначаемого как SiN) с внешним радиусом кольца RR = 25 мкм и номинальной высотой H = 605 нм. Микрокольца располагаются на нижней оболочке SiO2 и имеют воздушную оболочку по бокам и сверху. Свет в/из микроколец соединяется через два волновода (2a). Один волновод более узкий и проходит ближе к микрокольцу; он вводит/выводит накачку и сигнальный свет. Другой волновод шире и дальше от микрокольца и используется для вывода длинноволнового холостого хода, который не может распространяться в более узком волноводе (волновод отсечен на длине волны холостого хода). Используя нагретый гидроксид калия, ученые подрезают микрокольца на величину U, которая может быть между 0 (без подрезки) и 1 (полностью подрезана). На 2b показано изображение поперечного сечения микрокольца, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа, на котором подрезка (U ≈ 0.25) отчетливо видна.
Ученые выбрали H и U для оптимизации дисперсии, которую можно параметризовать с помощью рассогласования частот, Δν = νμ + ν−μ − 2ν0, где νμ — частота моды, продольное число моды которой (относительно моды накачки) равно μ. В общем случае пары мод с малым положительным Δν могут колебаться. Следовательно, для реализации μOPO с широким частотным разделением нужна сильная нормальная дисперсия групповой скорости (GVD от group velocity dispersion) в полосе накачки (отрицательная кривизна Δν вокруг ν0) и GVD более высокого порядка для балансировки Δν вдали от ν0. Чтобы понять взаимосвязи между H, U и GVD, на 2c представлены смоделированные коэффициенты GVD (β2 и β4) для основных поперечных электрических поляризованных (TE0) мод пяти кольцевых резонаторов с различными значениями (H, U).
В полосе накачки β2 слегка положителен (указывая на нормальную дисперсию) и почти не зависит от H и U, в то время как β4 становится значительно более отрицательным при увеличении H и U (указывая на большую дисперсию более высокого порядка, которая может уравновесить нормальную дисперсию для пар мод вдали от накачки). Более того, можно сделать общее наблюдение, что холостая полоса (где β2 и β4 более чувствительны к ν, H и U) в первую очередь определяет геометрическую дисперсию. В качестве альтернативы можно изучить спектр Δν и его зависимость от H и U. На 2d и 2e представлены шесть спектров Δν для устройств с (500, 0) и (605, 0.33) соответственно с систематическими вариациями в RW. В пространстве Δν нулевые переходы (отмеченные на 2d и 2e сплошными кругами и квадратами соответственно) определяют νs, поэтому возможно конкретно предсказать зависимость νs от RW, H и U.
На 2f показан график график νs в зависимости от RW для нескольких пар (H, U). Ученые обнаружили, что в конфигурации (500, 0), которая широко использовалась в предыдущих исследованиях, νs ограничена менее чем 530 ТГц, а относительно узкий диапазон значений RW допускает излучение зеленой зоны. Однако увеличение H и U имеет два заметных эффекта: максимально реализуемое νs увеличивается, и μOPO становится более устойчивым к возмущениям геометрии. В частности, наклон dνs/dRW, который количественно определяет чувствительность μOPO к размерам устройства, уменьшается с увеличением U. В результате конструкции более устойчивы к неопределенностям изготовления, тем самым повышая выход устройств при ориентации на определенные длины волн.
Доступ к зеленой зоне
Изображение №3
Выше изображено множество μOPO с зеленой зоной, которые ученые создавали в экспериментах, и проиллюстрированы механизмы грубой настройки, которые их обеспечивают. В экспериментах моды TE0 в микрокольце SiN накачивались с помощью усиленного внешнего резонаторного диодного лазера (ECDL от external cavity diode laser), который непрерывно настраивается от 765 нм до 781 нм. На 3a (левая панель) изображен нормализованный спектр маломощного пропускания устройства с RR = 25 мкм, H = 605 нм, RW = 875 нм и U = 0.33. Цветные круги обозначают восемь мод TE0, к которым можно получить доступ с помощью ECDL, а на 3a (правая панель) изображено нормализованное пропускание, увеличенное до 778.761 нм (длина волны, измеренная волномером с погрешностью ≈ 0.1 пм). Когда мощность накачки увеличивается, можно генерировать OPO, и наблюдается характерная форма «теплового треугольника» в спектре пропускания каждой моды резонатора, когда νp сканируется от синих до красных расстроек, как показано на левой панели 3b.
Более того, для каждого конкретного значения mp (380 на 3b) регулировка расстройки накачки-резонатора позволяет настраивать νs с приращениями уровня FSR через механизм переключения мод, как показано семью различными спектрами сигнала, представленными на правой панели 3b, которые соответствуют семи расстройкам, отмеченным на левой панели. Переключение мод происходит из-за изменений в эффективной дисперсии, которые возникают из-за сдвигов керровских и тепловых нелинейных мод. Ученые считают, что дисперсия термооптического коэффициента dn/dT, где n — показатель преломления SiN, а T — модальная температура, должна учитываться для надлежащего моделирования переключения мод, но такие измерения не найдены в существующей литературе.
Для более широкой настройки νs можно накачивать моды с различными mp. На верхней панели 3c представлены оптические спектры, составленные из одного микрокольца, где каждая цветовая полоса соответствует разному значению mp — шаг mp на единицу сдвигает νs в новую цветовую полосу. Следовательно, относительно небольшой диапазон настройки νp (≈ 8 ТГц) позволяет выполнять грубую настройку νs между ≈ 490 ТГц и ≈ 560 ТГц. Этот механизм грубой настройки возникает из νp-зависимого спектра Δν. На нижней панели отображены значения νs,i, извлеченные из оптических спектров выше, а также сравнение измерений с моделированием. Было установлено, что моделирование точно предсказывает сдвиги νs,i, которые возникают в результате увеличения mp. Изменение νp (для заданного mp), которое очевидно на 3c, обусловлено лежащим в основе изменением RW (т. е. перемещение вдоль линии постоянного mp соответствует изменению RW). На 3c данные (закрашенные) связаны с первым μOPO, наблюдаемым при сканировании νp в резонанс от синих до красных расстроек, а незакрашенные данные связаны с последующими μOPO, наблюдаемыми во время сканирования. Обычно наблюдалось от шести до восьми μOPO для каждого значения mp (3b).
Настраиваемость и когерентность
Изображение №4
Спектры на 3c получены от одного устройства и демонстрируют спектральные зазоры между цветовыми полосами. Чтобы устранить эти зазоры, ученые изготовили еще три устройства с небольшими систематическими различиями RW. На 4a показаны оптические спектры, составленные из набора из четырех устройств, которые охватывают всю зеленую зону с разрешением, близким к разрешению FSR-уровня. В частности, использовалось всего два устройства для генерации более 100 μOPO, включая все частоты сигнала выше 490 Тгц.
Дальнейшая оптимизация конструкции может обеспечить аналогичную производительность с использованием только одного устройства. Например, использование большего RR увеличит плотность продольных мод (и, в свою очередь, плотность спектрального покрытия), использование нагревателей, интегрированных в чип, позволит термооптическому управлению дисперсией активировать настройку νs на уровне FSR, а конструкция (H, U) может быть дополнительно оптимизирована.
Ученые также отмечают, что самая высокая частота, достигнутая в их исследовании, составляет ≈ 563.51 ТГц, что почти на 15 ТГц превышает предыдущий рекорд. Более того, поскольку многие приложения (например, спектроскопия квантовых систем) требуют лазеров, которые являются непрерывно настраиваемыми и фазово-когерентными, ученые приступили к характеристике настраиваемости νs и измерению ширины линии μOPO. Как описано выше, полезная связь существует между νp и νs, где небольшие корректировки первого (например, смещение расстройки резонатора накачки) могут вызывать сдвиги уровня FSR во втором. Также важно понимать динамику настройки между такими скачками моды. На 4b представлены измерения νs, записанные с помощью оптического анализатора спектра (OSA от optical spectrum analyzer), когда νp настраивается в номинальном устройстве. Наблюдается, что между скачками моды коэффициент настройки dνs/dνp ≈ 1 (он немного больше единицы из-за термооптических сдвигов). Непрерывные диапазоны настройки обычно достигались между 50 ГГц и 80 ГГц. Примечательно, что этот диапазон настройки зависит от дисперсии и может быть расширен с использованием, например, интегрированного температурного контроля. Стоит отметить, что «неровности» на 4b (т. е. любое отклонение от линейной настройки) в первую очередь обусловлены ошибкой OSA.
Далее ученые зарегистрировали радиочастотные спектры от гетеродинных биений между сигналом μOPO и настраиваемым лазером непрерывного действия. Здесь использовалась полная ширина на половине максимума (FWHM от fullwidth at half maximum) наблюдаемых спектральных форм линий для аппроксимации ширины линии сигнала μOPO. В частности, ученых интересовали относительные порядки величины между шириной линии лазера накачки (≈ 300 кГц) и шириной линии μOPO. На 4c показаны гетеродинные спектры для трех μOPO с частотами сигнала около 470 ТГц, 504 ТГц и 523 ТГц. Соответственно, подобранные формы линий демонстрируют значения FWHM ≈ 547 кГц, ≈ 482 кГц и ≈ 504 кГц, где рисунок включает одно стандартное отклонение неопределенности, полученные из подгонок. Эти значения соизмеримы с шириной линии лазера накачки и демонстрируют низкий добавленный шум от μOPO. Более того, они намного меньше, чем у типичных лазеров III-V-диодов в этом диапазоне длин волн. В более абсолютном смысле измеренные ширины линий уже достаточно малы для многих приложений с высокой когерентностью, и будущие системы могли бы использовать инжекционную синхронизацию для достижения малошумной работы даже с шумными лазерами накачки.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученым удалось создать лазерное устройство, способное генерировать свет зеленого, желтого и даже оранжевого цветов.
Ученые использовали микрорезонаторы, состоящие из нитрида кремния, для преобразования инфракрасного лазерного света в другие цвета. Когда инфракрасный свет закачивается в кольцевой резонатор, свет совершает тысячи кругов, пока не достигнет достаточно высокой интенсивности для сильного взаимодействия с нитридом кремния. Это взаимодействие, известное как оптическая параметрическая осцилляция, создает две новые длины волн света, называемые холостой и сигнальной. Ранее ученым уже удавалось таким методом достичь желтого и оранжевого цвета, но длины волны (560 нм) совсем немного не хватало для зеленого света.
Взяв за основу вышеописанный метод, ученые модифицировали микрорезонатор двумя способами. Во-первых, ученые немного утолщили его. Изменив его размеры, исследователям стало легче генерировать свет, который проникал глубже в зеленую зону, до длин волн всего 532 нанометра. Благодаря такому расширенному диапазону удалось покрыть всю зеленую зону.
Кроме того, ученые подвергли микрорезонатор большему воздействию воздуха, вытравив часть слоя диоксида кремния под ним. Это привело к тому, что выходные цвета стали менее чувствительными к размерам микрокольца и длине волны инфракрасной накачки. Более низкая чувствительность дала больше контроля при создании немного отличающихся зеленых, желтых, оранжевых и красных длин волн с помощью разработанного устройства. В результате устройство позволяет создавать более 150 различных длин волн зеленой зоны и точно настраивать каждую из них.
Миниатюрный источник зеленого лазерного света может улучшить подводную связь, поскольку вода почти прозрачна для сине-зеленых длин волн в большинстве водных сред. К другим потенциальным практическим применениям микролазеров зеленого света можно отнести полноцветные лазерные проекционные дисплеи и лазерное лечение заболеваний (например, диабетическая ретинопатия, разрастание кровеносных сосудов в глазу и т.д.).
В будущем ученые намерены продолжить работу, дабы повысить эффективность своего устройства, особенно в области энергоэффективности. Но уже сейчас виден огромный потенциал их детища.
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
