Un laser cu frecvență stabilă, fără control electronic activ
Cercetătorii au demonstrat un laser integrat fotonic care își menține blocarea auto-injectată pe întreaga gamă de curenți de comandă testată, fără a necesita ajustări electronice active ale curentului sau ale fazei feedback-ului. Rezultatele au fost publicate în revista Nature Photonics.
Laserele asigură lumina precisă necesară pentru ceasuri atomice, senzori cuantici, monitorizare prin fibră optică, comunicații coerente și măsurători de distanță. Aceste aplicații depind de lasere a căror frecvență optică rămâne extrem de stabilă. Cele mai precise sisteme se bazează adesea pe lasere de laborator voluminoase, ceea ce le limitează utilizarea în tehnologii compacte și portabile.
Laserele semiconductoare oferă o alternativă practică: sunt mici, alimentate electric și potrivite pentru producție la scară largă. Frecvența lor tinde însă să fluctueze mult mai mult decât cea a laserelor cu fibră folosite în sistemele de precizie.
Feedback-ul optic cere un echilibru delicat
Cercetătorii pot reduce acest zgomot prin blocare auto-injectată. În acest procedeu, o parte din lumina laserului intră într-un rezonator optic de calitate ridicată și se întoarce în laser. Feedback-ul optic stabilizează frecvența laserului și poate îngusta lățimea de linie, o măsură a stabilității frecvenței, cu câteva ordine de mărime.
Provocarea este menținerea laserului stabil în această stare. De obicei, aceasta funcționează doar în condiții foarte specifice, cum ar fi un anumit curent electric și o fază precisă a luminii care se întoarce, determinată de lungimea traseului ei. Modificări mici, precum variații de temperatură sau abateri minore din fabricație, pot perturba cu ușurință acest echilibru. Din acest motiv, majoritatea sistemelor necesită controale și electronice suplimentare pentru a ajusta constant laserul și a-l menține stabil.
Stări stabile suprapuse mențin laserul blocat
O echipă condusă de Tobias J. Kippenberg a demonstrat un laser integrat fotonic care rămâne blocat auto-injectat pe întreaga gamă de curenți de comandă testată. Cercetătorii numesc abordarea „blocare auto-injectată fără sfârșit”.
Dispozitivul combină un laser semiconductoar standard cu un cip optic minuscul care retrimite o parte din lumină înapoi în laser. Prin proiectarea atentă a acestui feedback, echipa a asigurat că laserul rămâne stabil chiar și atunci când condițiile se schimbă. De asemenea, au făcut ca regiunile stabile de operare să se suprapună. Astfel, pe măsură ce curentul de comandă se modifică, laserul poate trece lin între stări stabile fără a-și pierde blocarea.
Zgomot redus pe gama de curent testată
Cercetătorii au testat laserul variind curentul de comandă de la 154 la 300 de miliamperi. La fiecare curent măsurat, blocarea auto-injectată a redus zgomotul de frecvență de peste 5.000 de ori comparativ cu laserul în funcționare liberă. Lățimea de linie intrinsecă s-a menținut sub 10 herți.
Echipa a integrat, de asemenea, actuatoare piezoelectrice pe cipul fotonic. Aceste actuatoare acordează rezonatorul prin efectul stres-optic atunci când se aplică tensiune. Dispozitivul a produs variații de frecvență fără salturi de mod de peste 1,5 gigaherți, rămânând blocat, fără control activ al curentului de comandă sau al fazei feedback-ului.
Designul ar putea face laserele compacte cu zgomot ultra-redus mai ușor de operat în aplicații precum detectarea optică, lidar, comunicații coerente, ceasuri atomice și senzori cuantici. Lucrarea demonstrează principiul într-un dispozitiv de laborator. Pentru implementarea în afara laboratorului ar fi necesare lucrări suplimentare de inginerie și ambalare.
