Wissenschaftler entwickeln ein Breitbandquantum

27. Juli 2023

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von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften

Seit der Erfindung des Laserfrequenzkamms Ende der 1990er Jahre hat er die präzise Messung von Frequenz und Zeit revolutioniert. Über ihre anfängliche Verwendung in optischen Uhren und Präzisionsspektroskopie hinaus haben optische Frequenzkämme (OFCs) ein großes Potenzial für verschiedene Anwendungen gezeigt, darunter Ultraviolett- und Infrarotspektroskopie (IR), Fernerkundung, optische Frequenzsynthese und optische Hochgeschwindigkeitskommunikation.

Allerdings sind die starken optischen Impulse, die von einem amplitudenmodulierten (AM) OFC geliefert werden, für Systeme mit dichtem Wellenlängenmultiplex (DWDM), in denen viele Mikroringmodulatoren eingesetzt werden, nicht vorteilhaft. Dies liegt daran, dass die hohe Momentanleistung optischer Impulse zu starken thermischen Nichtlinearitäten führen würde.

Andererseits erfordert die Bildung eines Breitband-OFC eine sorgfältige Entwicklung der Gruppengeschwindigkeitsdispersion (GVD) des Wellenleiters, was für Plattformen, bei denen die GVD hauptsächlich durch das Material bestimmt wird, eine Herausforderung darstellt. Daher müssen Systemgröße, Gewicht, Stromverbrauch und Kosten (SWaP-C) von OFCs für den Einsatz von OFCs in der Industrie verbessert werden.

In einem neuen Artikel, der in Light: Science & Applications veröffentlicht wurde, hat ein Wissenschaftlerteam unter der Leitung von Professor John Bowers vom Institute for Energy Efficiency der University of California, Santa Barbara, USA, einen frequenzmodulierten (FM) Kamm entwickelt, der darauf basiert fortschrittlicher Quantenpunktlaser (QD). Ein geeignetes Design des Laserhohlraums ermöglicht eine optische Rekordbandbreite von 3 dB von 2,2 THz im Telekommunikations-O-Band.

Der Kanalabstand beträgt bis zu 60 GHz, was sich positiv auf die Eliminierung von Kanalübersprechen bei der Datenübertragung auswirkt. Interessanter ist, dass dieser quasi-kontinuierliche FM-Kamm keine starken optischen Impulse liefert, was für ein integriertes DWDM-System von Vorteil ist.

Durch die Nutzung des QD-Lasers wird der Breitband-FM-Kamm aus einem 1,35 mm langen und 2,6 µm breiten Laserhohlraum erzeugt, zusammen mit einem hohen Wirkungsgrad von über 12 %. Im Vergleich zu anderen integrierten OFC-Technologien weist der beschriebene FM-Kamm auf Basis eines QD-Lasers ein überlegenes SWaP-C auf, eine Lösung, die sowohl von der Wissenschaft als auch von der Industrie angestrebt wird.

Die bemerkenswerten Materialeigenschaften von QD machen es zu einer vielversprechenden Plattform für die FM-Kammerzeugung. Die ultraschnelle Verstärkungsdynamik ermöglicht eine riesige Kerr-Nichtlinearität und Vierwellenmischung, was den QD-Laser zu einem besseren Kandidaten für die FM-Kammerzeugung im optischen Kommunikationsband macht als die herkömmlichen Quantentopf-Diodenlaser.

Wichtig ist, dass dieser beschriebene Ansatz es uns ermöglicht, die optische Bandbreite zu verbessern, ohne dass eine sorgfältige Konstruktion der Wellenleiterdispersion erforderlich ist. Diese Leistung wird durch die Technik der Kerr-Nichtlinearität erreicht, die einfach durch eine an den sättigbaren Absorberabschnitt des Lasers angelegte Spannung gesteuert werden kann. Somit reduziert dieser Ansatz die Herausforderungen im Herstellungsprozess. Diese Wissenschaftler kommentieren ihre Leistungen in dieser Arbeit:

„Dies ist eine Weiterentwicklung des Denkens. Der erste modengekoppelte Laser wurde 1963 vorgestellt, seitdem wurden enorme Fortschritte gemacht. Früher dachte man, dass ein modengekoppelter Laser aufgrund seiner AM (Amplituden-) Wir zeigen jedoch, dass dies nicht unbedingt der Fall sein muss. Der FM (frequenzmodulierte) modengekoppelte Laser erlebt eine Renaissance. Es liegt in seiner Natur, ein breitbandiges und flaches Spektrum zusammen mit einem quasi-modulierten Laser zu liefern. Dauerstrichemission.

„Trotz der Demonstration von FM-Kämmen in Quantenkaskadenlasern im mittleren Infrarot wurde die FM-Natur von modengekoppelten QD-Lasern im nahen Infrarot nicht vollständig ausgenutzt. Wir versuchen, sie zu verstehen und den FM-modengekoppelten Laser auf Hochgeschwindigkeitslaser anzuwenden.“ „PICs (photonische integrierte Schaltkreise) für Rechenzentren“, fügten sie hinzu.

„Die vorgestellte Technik befasst sich mit den Problemen, denen ein OFC auf PICs begegnet, und ist mit der ausgereiften CMOS-Industrie kompatibel. Unsere Ergebnisse liefern neue Einblicke in die Verbesserung von FM-modengekoppelten Lasern für PICs. Dieser Durchbruch könnte einen neuen Schauplatz für den nächsten eröffnen.“ Generation von PICs für 5G/6G-Kommunikation, künstliche Intelligenz und autonomes Fahren“, sagen die Wissenschaftler.

Mehr Informationen: Bozhang Dong et al., Breitbandiger frequenzmodulierter Quantenpunkt-Kammlaser, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01225-z

Zeitschrifteninformationen:Licht: Wissenschaft und Anwendungen

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