在环形半导体激光器中发现的暗孤子

在环形半导体激光器中已经看到暗孤子 - 在明亮背景下的光消光区域 - 自发形成。由一个国际研究小组进行的观察，可能会导致分子光谱学和集成光电子学的改进。

频率梳 - 以等距频率输出光的脉冲激光器 - 是激光物理学史上最重要的成就之一。有时被称为光学标尺，它们是时间和频率标准的基础，用于定义科学中的许多基本量。然而，传统的频率梳状激光器体积庞大、复杂且价格昂贵，激光专家热衷于开发可以集成到芯片中的更简单版本。

在 2020 年进行一次此类尝试时，哈佛大学费德里科·卡帕索小组的研究人员意外地发现，在最初进入高度湍流状态后，量子级联环形激光器在分子光谱学中广泛使用的中红外“指纹”区域稳定到稳定的频率梳——尽管只有九个齿。

环形激光器有一个光学腔，其中光被引导到闭环周围，量子级联激光器是一种发射红外辐射的半导体器件。 “所有这些有趣的结果都来自控制设备 - 我们没想到会发生这种情况，”哈佛大学的Marco Piccardo说。经过几个月的摸不着头脑，研究人员发现，这种效应可以用描述系统的非线性微分方程的不稳定性来理解——复杂的金茨伯格-朗道方程。

在这项新研究中，Capasso及其同事与维也纳理工大学Benedikt Schwarz小组的研究人员合作。奥地利团队开发了几种基于量子级联激光器的频率梳设计。

研究人员将波导耦合器集成到同一个芯片中。这使得提取光变得更加容易，并实现了更大的输出功率。它还允许科学家调整耦合损耗，将激光器在其频率梳状体和它应该作为连续输出辐射的连续波激光器运行的态之间推动。 然而，在“连续波”制度中，更奇怪的事情发生了。

有时，当激光打开时，它的行为只是连续波激光，但关闭和打开激光可能会导致一个或多个暗孤子随机出现。 孤子是非线性、非色散、自增强的辐射波包，可以无限期地在空间中传播，并有效地相互传递。它们于 1834 年首次在水波中被观察到，但随后在包括光学在内的许多其他物理系统中被发现。

这一最新观察结果令人惊讶的是，孤子在连续激光中表现为微小的间隙。激光发射的这种看似微小的变化使其频谱发生了巨大变化。 “当你谈论连续波激光器时，这意味着在光谱域中你有一个单色峰，”Piccardo解释道。“这种下跌意味着整个世界......这两张图片是由不确定性原理联系在一起的，所以当你在空间或时间上有非常非常狭窄的东西时，这意味着在光谱域中，你有很多很多的模式，而有很多很多的模式意味着你可以做光谱学，观察在非常非常大的光谱范围内发射的分子。

以前偶尔也见过暗孤子，但从未像这样在小型电注入激光器中出现过。皮卡多说，从光谱上讲，黑暗的孤子和明亮的孤子一样有用。然而，一些应用需要明亮的脉冲。从黑暗孤子中产生明亮孤子所需的技术将是进一步工作的主题。

研究人员还在研究如何确定性地产生孤子。 这种用于集成的梳状设计的一个关键优势是，由于光在环形波导中仅在一个方向上循环，研究人员认为激光器本质上不受可能破坏许多其他激光器的反馈的影响。因此，它不需要磁隔离器，因为磁隔离器通常不可能以商业规模集成到硅芯片中。

考虑到集成，研究人员希望将该技术扩展到量子级联激光器之外。“尽管芯片非常紧凑，但量子级联激光器通常需要高电压才能运行，因此它们并不是将电子设备放在芯片上的真正方法，”Piccardo说。“如果这可以在其他激光器中工作，例如带间级联激光器，那么我们可以将整个事情小型化，并且它真的可以由电池供电。

奥兰多中佛罗里达大学的激光物理学家彼得·德尔菲特认为，这项工作为未来的工作带来了希望。“频域中的暗脉冲是一组颜色，虽然它们的频谱纯度非常好，但它们的精确定位尚未实现，”他说。“然而，事实上，他们可以做到这一点 - 使用电泵浦设备在芯片上制造孤子 - 这实际上是一个极其重大的进步。毫无疑问。

该研究在《自然》杂志上进行了描述。