Крихітний інтегрований Ti:Sa лазер

Крихітний інтегрований Ti:Sa лазер

З моменту винаходу в 1982 році Пітером Моултоном з Массачусетського технологічного інституту титан:сапфірові (Ti:Sa) лазери зіграли важливу роль у розвитку фундаментальних досліджень і технологічних застосувань, включаючи розробку оптичної частотної гребінки, двофотонну мікроскопію та експериментальну квантову оптику. Ti:сапфірові лазери не мають собі рівних за шириною смуги підсилення і діапазоном перебудови довжини хвилі генерації, але їхнє використання обмежене через їхні великі розміри, вартість і потребу у високій потужності оптичного накачування. На відміну від напівпровідникових лазерів, титан:сапфірові лазери виявилося надзвичайно складно мініатюризувати, оскільки традиційні конструкції вимагають дуже високої вхідної потужності для досягнення генерації. Титан:сапфір має здатність видавати дуже високу потужність, але особливості енергетичної структури лазерних рівнів зумовлюють короткий час загасання флуоресценції, тому потрібно дуже сильно накачувати, щоб побачити значне підсилення. Традиційні титан-сапфірові лазери доводиться накачувати потужними лазерами, тому вони коштують понад 100 тисяч доларів США.

Минулого року дослідники з Єльського університету представили інтегрований у мікросхему титан:сапфіровий лазер, у якому використовується діод накачування з нітриду індію й галію, з’єднаний із середовищем підсилення (титан:сапфір) через еванесцентне (загасаюче) поле [1]. Завдяки зменшенню втрат ця інтегрована система зменшила поріг генерації більш ніж на порядок.

У новій роботі [2] дослідники зі Стенфордського університету в США виготовили лазерні пристрої, створивши монокристалічні титан:сапфірові оптичні резонатори діаметром близько 40 мікрон і товщиною менше 1 мікрона на шарі сапфіру з використанням інтерфейсу діоксиду кремнію. Потім титан:сапфір відполірували до шорсткості менше 0,1 мікрона за допомогою реактивного іонного травлення. Резонатори досягли майже ідеального перекриття режимів накачування та генерації, що призвело до значно менших втрат і порогу генерації в 22 рази нижчого, ніж у будь-якому титан:сапфіровому лазері, який використовувався раніше. Завдяки виготовленню резонаторів із низькими втратами в моді галереї шепоту (whispering-gallery mode) реалізовано Ti:Sa лазер, який працює з наднизьким порогом генерації — 290 мкВт. Досягнуто одномодової генерації в діапазоні понад 50 нм.

Завдяки локалізації мод у хвилеводах Ti:SaOI на порядки, реалізовано інтегрований твердотільний (але не напівпровідниковий) оптичний підсилювач, що працює на довжинах хвиль коротших за 1 мкм, з надширокою смугою 700 - 950 нм і піковим підсиленням 64 дБ/см. Продемонстровано безпрецедентне, 17 дБ, підсилення 120 пДж пікосекундних імпульсів без спотворень до енергії 2,3 нДж, що відповідає піковій потужності 1,0 кВт.

Для демонстрації можливості застосування нової інтегрованої лазерної системи, масив лазерів Ti:SaOI використано для експерименту з квантової електродинаміки резонатора зі штучними атомами в карбіді кремнію.

Таким чином, продемонстровано інтегрований Ti:Sa лазер з можливістю перелаштування довжини хвилі генерації, який можна накачувати за допомогою недорогих мініатюрних зелених лазерних діодів (вартістю 37 доларів). Це відкриває нові можливості масштабування Ti:Sa лазерів, адже один такий лазер займає площу меншу за 0,15 мм². Ця робота є ключовим кроком до демократизації технології Ti:Sa завдяки зниженню вартості та розміру лазерів на три порядки, а споживання електроенергії – на два. Потенційними застосуваннями інтегрованих у чіпи титан:сапфірових лазерів є оптична логіка, зондування та квантові обчислення.

1. Wang, Y., Holguín-Lerma, J.A., Vezzoli, M. et al. Photonic-circuit-integrated titanium:sapphire laser. Nat. Photon. 17, 338–345 (2023). https://doi.org/10.1038/s41566-022-01144-2.

2. Yang, J., Van Gasse, K., Lukin, D.M. et al. Titanium:sapphire-on-insulator integrated lasers and amplifiers. Nature 630, 853–859 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07457-2. Авторська версія статті на ArXiv: https://arxiv.org/pdf/2312.00256