Новий лазер на чіпі заповнює зелену прогалину в спектрі
Новий лазер на чіпі заповнює зелену прогалину в спектрі
Оптична параметрична генерація (Optical parametric oscillation, OPO) у керрівських мікрорезонаторах (Kerr OPO) може ефективно перетворювати лазерне світло ближнього інфрачервоного діапазону у видимий спектр. Однак до нині хроматична дисперсія здебільшого обмежувала довжини хвиль такої генерації до значень >560 нм, а надійної генерації всього спектру зеленого світла не було. Довжини хвиль між 532 нм і 633 нм, які інколи називають «зеленим проміжком», є складними для отримання звичайним лазерним підсиленням. Це було мотивацією дослідників з NIST та Університету Меріленду — розширити діапазон довжин хвиль Kerr OPO і розробити надійні конструкції пристроїв.
У роботі [1] вони експериментально показали, як отримати генерацію у всьому зеленому проміжку за допомогою Kerr OPO в мікрокільцях нітриду кремнію, накачуваних поблизу 780 нм. Геометрії мікрокілець були оптимізовані для випромінювання зеленого проміжку; зокрема, представлено техніку дисперсійної інженерії, засновану на частковому підрізанні мікрокільця, яка не тільки розширює діапазон довжин хвиль генерації, але й виявляється стійкою до варіацій розмірів резонатора. Використовуючи лише чотири пристрої, дослідники продемонстрували генерацію понад 150 довжин хвиль, рівномірно розподілених по зеленому проміжку, передбачені їхніми обчисленнями. Крім того, показано корисність Kerr OPO для когерентних застосувань завдяки можливості безперервного переналаштування частоти (>50 ГГц) і вузькій оптичній ширині лінії (<1 МГц). Робота є важливим кроком до застосування нелінійної нанофотоніки у видимому спектрі.
Розробка компактних лазерів видимого діапазону довжин хвиль буде корисною для багатьох галузей науки та промисловості, включаючи лазерне освітлення та дисплеї, спектроскопію для вимірювання часу та зондування, медичні застосування та квантові технології. Незважаючи на прогрес у синій і червоній областях довжин хвиль, є проблема «зеленого проміжку» —відсутність ефективних і компактних зелених лазерних джерел. Напівпровідникові лазери на сполуках групи III-V забезпечують поєднання ефективності та малого розміру, але вони вимагають вхідної потужності у Ватах і часто (особливо на довжинах хвиль «зеленої щілини») не мають спектральної чистоти, необхідної для застосувань з високою когерентністю. Інжекційні діодні лазери з високоякісними мікрорезонаторами Фабрі-Перо можуть покращити когерентність, але вихідні довжини хвиль обмежені доступністю лазерів накачування, і поки що вони безперервно перебудовуються лише на кілька ГГц.
Ще один спосіб отримання зеленого лазерного світла — нелінійно-оптичні процеси. Це стратегія пропонує цікавий шлях до масштабованості за допомогою фотонної інтеграції, оскільки малі оптичні об’єми сприяють ефективній нелінійній взаємодії (натомість комерційні лазерні системи, що використовують об’ємні оптичні компоненти, зазвичай мають розмір ≈1 м3). Наприклад, нелінійні мікрорезонатори можуть генерувати частотні гармоніки лазерів накачування ближнього інфрачервоного діапазону для отримання видимого світла, хоча й з обмеженою можливістю переналаштування довжини хвилі.
Kerr OPO є іншим підходом до генерації видимого світла шляхом чотирихвильового змішування (four-wave mixing, FWM) від, наприклад, накачки у ближньому інфрачервоному діапазоні. В останні роки OPO на основі FWM в оптичних мікрорезонаторах (далі, «µOPO») широко досліджувались. У цих системах енергія від монохроматичного лазера накачування перекачується в «сигнальну» хвилю (signal) з синім зсувом і в «холосту» хвилю (idler) з червоним зсувом. Видимі µOPO можуть працювати з пороговою потужністю на рівні міліват і показали ефективність перетворення накачки в бічні смуги до 15%. Однак досі випромінювання в зеленому проміжку не вдавалось досягнути. Крім того, вихідна потужність і довжина хвилі µOPO чутливі до зовнішніх параметрів, таких як температура, потужність накачки та розлад накачки-резонатора, а також до геометрії мікрокільця. Ці чутливості мають тенденцію зростати пропорційно віддаленості в спектрі signal та idler і тому є серйозною проблемою для µOPO в зеленому проміжку.
В новій роботі дослідники демонструють можливість використання µOPO для всього зеленого проміжку та покращення стійкості генерації щодо варіацій параметрів. Цей прорив виявився можливим завдяки новому дизайну дисперсії, в якому підкладка частково витравлена, так що більша частина мікрорезонатора покрита повітрям. Для дослідження впливу такого підрізання на µOPO проведено моделювання. Щоб довести, що розроблені µOPO добре підходять для когерентних застосувань у зеленому проміжку, у роботі представлено результати вимірювання гетеродинного биття між сигналом µOPO та окремим лазером зі спектрально вузькою лінією генерації, а також показано можливість безперервного переналаштування частоти µOPO. Завдяки подальшій інтеграції, включаючи нещодавні досягнення в інтегрованих чіпах на 780 нм, µOPO є реалістичним рішенням проблеми зеленого проміжку, особливо коли потрібен низький рівень шуму.
1. Sun, Y., Stone, J., Lu, X. et al. Advancing on-chip Kerr optical parametric oscillation towards coherent applications covering the green gap. Light Sci Appl 13, 201 (2024). https://doi.org/10.1038/s41377-024-01534-x