Neuer integrierter Laser bietet durchgehende Wellenlängenanpassung

In den letzten Jahren hat die Technologie riesige Fortschritte gemacht, um kleinere und effizientere Geräte zur Lichtgenerierung zu schaffen. Diese Entwicklungen haben es Wissenschaftlern ermöglicht, kompakte Laser zu bauen, die einfach in Chips integriert werden können. Dieser Artikel stellt einen neuen integrierten Laser vor, der bei einer Wellenlänge von 780 nm arbeitet und sowohl für traditionelle als auch für Quantenkommunikationsanwendungen geeignet ist.

#Was sind Integrierte Photonik?

Integrierte Photonik ist ein Bereich, der sich darauf konzentriert, verschiedene optische Komponenten auf einer einzigen, kleineren Plattform zu kombinieren. Durch die Verwendung von Materialien wie Galliumarsenid (GaAs) und Siliziumnitrid (SiN) können Forscher Laser erstellen, die leicht, stromsparend und einfach herzustellen sind. Das ist wichtig, weil viele Anwendungen wie Kommunikation und Sensorik zuverlässige und effiziente Lichtquellen benötigen.

#Hauptmerkmale des neuen Lasers

Der neue integrierte Laser ist darauf ausgelegt, Licht im fernroten Spektrum, specifically bei 780 nm, auszusenden. Einige der Hauptmerkmale sind:

• Ein Abstimmungsbereich, der es dem Laser ermöglicht, seine Wellenlänge ohne Unterbrechung anzupassen.
• Eine niedrige Linienbreite, was bedeutet, dass der Laser einen stabilen und reinen Lichtstrahl erzeugt.
• Ein hohes Seitenmodusunterdrückungsverhältnis, das während des Betriebs ein minimales Rauschen und Interferenzen gewährleistet.

Diese Eigenschaften machen den Laser für verschiedene Anwendungen in der Photonik und der Quantentechnologie sehr funktional.

#Wie der Laser funktioniert

Der Laser funktioniert mit einer speziellen Anordnung, die mehrere Komponenten umfasst. Im Kern verfügt er über einen Gewinnbereich aus GaAs, der Licht erzeugt, wenn er mit Strom versorgt wird. Dieser Bereich ist mit SiN-Wellenleitern verbunden, die das Licht effektiv leiten.

Um einen stabilen Betrieb und eine feine Wellenlängeneinstellung zu erreichen, verwendet der Laser ein erweitertes Gehäusedesign. Dieses Design beinhaltet einen Vernier-Spiegel und einen Phasenschieber. Der Vernier-Spiegel hilft, die Lichtresonanz im Gehäuse zu steuern, während der Phasenschieber die Lichtphase für eine bessere Leistung anpasst.

#Kontinuierliche Wellenlängeneinstellung

Eine der herausragenden Eigenschaften dieses neuen Lasers ist seine Fähigkeit, eine modalsprungfreie Abstimmung zu erreichen. Das bedeutet, dass der Laser seine Wellenlänge kontinuierlich ändern kann, ohne in verschiedene Betriebsmodi zu springen. Durch die gleichzeitige Anpassung der Heizungen im Laser kann er die stabile Lichtausgabe über einen breiten Frequenzbereich aufrechterhalten.

#Anwendungen des Lasers

Der integrierte Laser hat zahlreiche mögliche Anwendungen in sowohl klassischen als auch quantenbasierten Systemen. Zum Beispiel kann er in den folgenden Bereichen eingesetzt werden:

1. Kommunikation: Der Laser kann verwendet werden, um Informationen sicher über grosse Distanzen zu übertragen, was für moderne Telekommunikationssysteme wichtig ist.

2. Sensorik: Seine stabile Ausgabe macht ihn ideal für präzise Messungen in verschiedenen Umgebungen, wie z.B. zur Gaserkennung oder Temperaturveränderungen.

3. Quantentechnologien: Der Laser kann verschränkte Photonen erzeugen, was entscheidend für die Entwicklung von Quantencomputern und anderen fortschrittlichen Technologien ist.

4. Spektroskopie: Mit dem Laser können Wissenschaftler detaillierte Untersuchungen von atomaren und molekularen Strukturen durchführen, was in Bereichen wie Chemie und Materialwissenschaft hilfreich ist.

#Charakterisierung des Lasers

Um zu verstehen, wie der Laser funktioniert, führten die Forscher verschiedene Tests durch. Sie massen die Ausgangsleistung, während sie den Eingangsstrom anpassten, und fanden eine klare Schwelle, ab der der Laser zu arbeiten begann. Diese Tests zeigten, dass der Laser effizient mit einem niedrigen Schwellenstrom arbeiten kann.

Eine weitere Charakterisierung bestand darin, zu analysieren, wie sich der Laser unter verschiedenen Bedingungen verhält. Das Team stellte fest, dass die integrierte Anordnung beeindruckende Leistungen erbrachte, einschliesslich der Fähigkeit, eine konsistente Ausgabe zu gewährleisten, während sich die Wellenlängen änderten.

#Modalsprungfreie Abstimmung erklärt

Um eine modalsprungfreie Abstimmung zu erreichen, entwickelten die Forscher einen speziellen Algorithmus. Dieser Ansatz sorgt dafür, dass der Phasenschieber und die beiden Ringe im Vernier-Spiegel gemeinsam abgestimmt werden. Dadurch kann der Laser Änderungen in der gewünschten Ausgabe verfolgen und eine stabile Wellenlänge über einen breiten Bereich aufrechterhalten.

Die Technik erfordert die Abbildung der Ausgangsleistung und Wellenlänge basierend auf der Heizleistung, die auf jede Komponente angewendet wird. Diese Abbildung ermöglicht es dem Laser, sich anzupassen und die optimalen Betriebsbedingungen zu verfolgen, um eine kontinuierliche und stabile Ausgabe sicherzustellen.

#Quanten-Photonik-Demonstrationen

Die Fähigkeiten des neuen Lasers wurden in zwei Hauptdemonstrationen getestet, die seine Anwendung in der Quanten-Photonik zeigten.

#Spektroskopie mit Mikroresonatoren

Die erste Demonstration beinhaltete die Verwendung des Lasers, um einen Siliziumnitrid-Mikroresonator zu pumpen. Dieser Resonator ist dafür ausgelegt, verschränkte Photonen durch einen Prozess namens spontane Vierwellenmischung zu erzeugen. Durch das Abstimmen des Lasers konnten die Forscher mehrere Resonanzen erzeugen und die Eignung des Lasers für die Erzeugung von Quantenlicht bestätigen.

#Atomare Spektroskopie

In der zweiten Demonstration wurde der Laser für die Doppler-freie Spektroskopie von Rubidium verwendet. Diese Technik ermöglicht die präzise Messung atomarer Übergänge und offenbart wichtige Details über die atomare Struktur. Die enge Linienbreite des Lasers und der stabile Betrieb ermöglichten eine klare Identifizierung der hyperfeinen Zustände und Übergangsmerkmale der Rubidium-Atome.

Das Team implementierte auch einen Regelmechanismus, um die Frequenzstabilität des Lasers aufrechtzuerhalten. Diese Technik beinhaltete die Verwendung von Rückmeldungen vom Spektroskopiesignal, um die Ausgangsleistung des Lasers anzupassen und sicherzustellen, dass er über die Zeit präzise abgestimmt bleibt.

#Zukünftige Perspektiven

Diese neue integrierte Laserplattform hat grosses Potenzial für verschiedene Anwendungen. Während sich die Technologie weiterentwickelt, zielen die Forscher darauf ab, zusätzliche Komponenten in den Laserchip zu integrieren, um seine Funktionalität weiter zu verbessern. Mögliche Upgrades könnten die Integration von Quantenausstrahlern zur Erzeugung von Einzelphotonen oder die Integration von atomaren Dampfzellen für fortschrittliche Sensoranwendungen umfassen.

Durch die Verbesserung des Designs erwarten Wissenschaftler, noch kleinere Formfaktoren, bessere Stabilität und verbesserte Leistung zu erreichen. Die Entwicklung fortschrittlicher Abstimmungsmethoden könnte ausserdem schnelle Anpassungen der Laser-Ausgabe ermöglichen und den Anwendungsbereich erweitern.

#Fazit

Der integrierte abstimmbare Laser, der bei 780 nm arbeitet, stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Photonik-Technologie dar, mit zahlreichen Anwendungen in Kommunikation, Sensorik und Quantensystemen. Seine Fähigkeit, eine stabile Ausgabe aufrechtzuerhalten und kontinuierlich ohne Unterbrechung zu stimmen, markiert einen bemerkenswerten Erfolg in diesem Bereich.

Die Integration verschiedener optischer Komponenten in eine einzige Plattform eröffnet neue Möglichkeiten für kompakte und effiziente Lichtquellen und ebnet den Weg für zukünftige Innovationen in der Photonik und Quantentechnologie. Während die Forscher weiterhin diese Technologie erkunden und verbessern, wird die potenzielle Auswirkung auf verschiedene Industrien voraussichtlich erheblich sein und die Entwicklung fortschrittlicherer und zuverlässiger Systeme vorantreiben.