Laser pysyy lukittuna ilman aktiivista ohjausta

Laserit tuottavat tarkkaa valoa, jota tarvitaan atomikelloihin, kvanttiantureihin, kuituoptiseen valvontaan, koherenttiin tietoliikenteeseen ja etäisyysmittauksiin. Nämä sovellukset ovat riippuvaisia lasereista, joiden optinen taajuus pysyy poikkeuksellisen vakaana. Tarkimmat järjestelmät perustuvat usein kookkaisiin laboratoriolasereihin, mikä rajoittaa niiden käyttöä kompakteissa ja kannettavissa teknologioissa.

Puolijohdelaserit tarjoavat käytännöllisen vaihtoehdon. Ne ovat pieniä, sähkökäyttöisiä ja sopivat laajamittaiseen valmistukseen. Niiden taajuus kuitenkin vaihtelee paljon enemmän kuin tarkkuusjärjestelmissä käytettyjen kuitulasereiden.

Tutkijat voivat vähentää tätä kohinaa itseinjektiolukituksella. Tässä lähestymistavassa osa lasersäteestä saapuu korkealaatuiseen optiseen resonaattoriin ja palaa laseriin. Tämä optinen takaisinkytkentä vakauttaa laserin taajuuden ja voi kaventaa sen viivanleveyttä, joka on taajuuden vakauden mitta, useilla kertaluokilla.

Haasteena on pitää laser vakaana tässä tilassa. Se toimii yleensä vain hyvin erityisissä olosuhteissa, kuten tietyllä sähkövirralla ja palaavan valon tarkalla polunpituudella. Pienet muutokset, kuten lämpötilan muutokset tai pienet poikkeamat valmistuksesta, voivat helposti häiritä tätä tasapainoa. Tästä syystä useimmat järjestelmät tarvitsevat lisäohjauksia ja elektroniikkaa laserin jatkuvaan säätämiseen ja sen vakaana pitämiseen.

Tobias J. Kippenbergin johtama EPFL:n tutkimusryhmä on nyt esitellyt fotonisen integroidun laserin, joka pysyy itseinjektion lukituksessa koko testatulla käyttövirta-alueellaan.

Tutkijat kutsuvat lähestymistapaa "loputtomaksi itseinjektioliukutukseksi" ja se yhdistää tavallisen puolijohdelaserin pieneen optiseen siruun, joka syöttää osan valosta takaisin siihen. Suunnittelemalla tämän takaisinkytkennän huolellisesti tiimi varmisti, että laser pysyy vakaana myös olosuhteiden muuttuessa.

He myös sijoittivat vakaat toiminta-alueet päällekkäin. Tämä tarkoittaa, että laser voi siirtyä tasaisesti vakaan tilan välillä menettämättä lukitustaan ohjausvirran muuttuessa.

Tutkijat testasivat laseria muuttamalla sen ohjausvirtaa 154 ja 300 milliampeerin välillä. Jokaisella mitatulla virralla itseinjektiolukittuminen vähensi taajuuskohinaa yli 5 000-kertaisesti tahdistamattomaan laseriin verrattuna. Luonnollinen viivanleveys pysyi alle 10 hertsissä.

Tiimi integroi fotonipiiriin myös pietsosähköisiä toimilaitteita. Nämä toimilaitteet virittävät resonaattoria jännitysoptisen ilmiön avulla, kun siihen kytketään jännite. Laite tuotti yli 1,5 gigahertsin moodihyppelyvapaata taajuussirkutusta (chirp) pysyen lukittuna ilman aktiivista ohjausta ajovirralle tai takaisinkytkentävaiheelle.

Suunnittelu voisi helpottaa kompaktien ja erittäin vähäkohinaisten lasereiden käyttöä sovelluksissa, kuten optisessa tunnistuksessa, LiDARissa, koherentissa viestinnässä, atomikelloissa ja kvanttiantureissa. Työ demonstroi periaatetta laboratoriolaitteessa. Laboratorion ulkopuolinen käyttöönotto vaatisi lisäsuunnittelua ja -pakkausta.

Aiheesta aiemmin:

Ultranopea laser sirulla

Viimeinen puuttuva piifotoniikan pala

Lasereille skaalautuvuutta ja yksinapaisia pulsseja