Wissenschaftler erreichen Phononen- und Photonenlaser in optomechanischen Hohlräumen

Seit der Einführung des ersten Rubinlasers – eines Festkörperlasers, der den synthetischen Rubinkristall als Lasermedium verwendet – im Jahr 1960 hat sich die Verwendung von Lasern in wissenschaftlichen, medizinischen und industriellen Bereichen erheblich ausgeweitet.

Mit dem Fortschritt von Wissenschaft und Technologie sind Laser mit extrem schmalen Linienbreiten zum Schlüssel für die Forschung in wissenschaftlichen Grenzbereichen geworden. Das mit Spannung erwartete Gravitationswellen-Erkennungsprogramm Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in den USA stellt zum Beispiel extrem strenge Anforderungen an die Kohärenz von Lasern. Während Brillouin-Laser aufgrund ihres linienbreitenverengenden Effekts ein großes Potenzial für solche Anwendungen haben, ist die Laserschwelle von On-Chip-Brillouin-Lasern aufgrund des Eigenverlusts des Brillouin-Wellenleiters und des großen Modenvolumens hoch.

Um dieses Problem zu umgehen, schlägt ein Team des Nano-OptoElectronics Lab unter der Leitung von Professor Yidong Huang an der Tsinghua-Universität ein ähnliches Streuphotonenlaser-Phänomen vor, das in einer optomechanischen Mikrokavität auftritt und dabei helfen kann, einen neuen On-Chip-Laser mit schmaler Linienbreite und geringerer Laserleistung zu realisieren Schwelle.

„Der neue Laser kann aus einem eindimensionalen optomechanischen Kristall mit sowohl Photonen- als auch Phononenanregung innerhalb einer Chipgröße von nur zehn Mikrometern durch eine kleine Pumpschwelle von nur 500 Mikrowatt erreicht werden“, teilt außerordentlicher Professor Kaiyu Cui, ein an der Studie beteiligter Forscher, mit die Studium.

Das Team beobachtete, dass die Linienbreite des neuen Lasers nach dem Phononen-Lasern bei 6,2 GHz um vier Größenordnungen auf 5,4 kHz verengt wurde. Dieser hochkohärente Phononenlaser hat wichtige Anwendungen in Bereichen wie hochpräziser Massenerfassung, Spektralerfassung und Signalverarbeitung. Gleichzeitig weist das angeregte Photon auch einen signifikanten Schwelleneffekt auf, der bei der kohärenten Wellenlängenumwandlung angewendet werden kann.

Insbesondere ist es keine leichte Aufgabe, gleichzeitiges Lasern von Photonen und Phononen in eindimensionalen optomechanischen Kristallen zu erreichen. Periodisch ausgerichtete Nanostrukturen werden benötigt, um sowohl Licht- als auch mechanische Wellen durch einen physikalischen Mechanismus, der als Defektmoden bekannt ist, in einem sehr kleinen Volumen einzuschließen. Nur dann könnten die lokalisierten Photonen und Phononen innerhalb der Mikrokavität eine starke Energiekopplung erfahren und wiederum ein kohärentes Lasern bei sehr niedriger Pumpleistung ermöglichen.

Nichtsdestotrotz hat das Team mithilfe der Elektronenstrahllithographie erfolgreich eindimensionale optomechanische Kristalle auf einem Siliziumchip hergestellt. Wenn die einfallende Pumpleistung den Schwellenwert überschritt, wurde auf dem Spektrometer ein signifikantes Lasern beobachtet. Tatsächlich entsprachen die experimentellen Ergebnisse den theoretischen Erwartungen.

Die Forscher veröffentlichten in der Zeitschrift ihre neuesten Erkenntnisse, die den Weg für siliziumbasierte photonische und phononische Laser ebnen könnten, um den dringenden Bedarf an neuen Lasertechnologien zu decken Grundlegende Forschung.

„In optomechanischen Kristallen können nichtlineare Gleichungen verwendet werden, um das Verhalten von Photonen und Phononen zu beschreiben. Da nichtlineare Systeme im Allgemeinen nicht analytisch gelöst werden können, wurden die meisten bisherigen Studien auf der Grundlage linearisierter Gleichungen durchgeführt“, erklärt Prof. Huang.

„Basierend auf unseren Erkenntnissen schlagen wir vor, dass die nichtlinearen Gleichungen direkt mit Hilfe der Grenzzyklustheorie analysiert werden können, was die erste analytische Formulierung der Laserlinienbreite unter dem Einfluss von Phasenrauschen liefert.“