थिन-फिल्म लिथियम नाइओबेट पर आधारित दुनिया का पहला अल्ट्राफास्ट मोड-लॉक लेजर विकसित किया गया है, और थिन-फिल्म लिथियम नाइओबेट इंटीग्रेटेड ऑप्टिक्स तेजी से आगे बढ़ता है

हाल ही में, सिटी यूनिवर्सिटी ऑफ़ न्यूयॉर्क के किउ-शी गुओ और कैलिफ़ोर्निया इंस्टीट्यूट ऑफ़ टेक्नोलॉजी के अलीरेज़ा मरांडी की टीम ने साइंस जर्नल में "नैनोफोटोनिक लिथियम नाइओबेट में अल्ट्राफास्ट मोड-लॉक लेजर" शीर्षक से एक लेख प्रकाशित किया। "टीम ने चतुराई से III-V अर्धचालकों के उच्च लेजर लाभ को पतली-फिल्म लिथियम नाइओबेट के उत्कृष्ट इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल गुणों के साथ जोड़ा और हाइब्रिड एकीकरण के माध्यम से उच्च शिखर पल्स पावर के साथ एक विद्युत पंप मोड-लॉक लेजर का निर्माण किया, जिसमें पुनरावृत्ति होती है 10 गीगाहर्ट्ज की आवृत्ति 1065 एनएम के करीब, 4.8 पीएस की ऑप्टिकल पल्स चौड़ाई, 5 पीजे से अधिक की पल्स ऊर्जा, और 0.5 पीजे से अधिक की चरम शक्ति। पीजे, और शिखर 0.5 W से अधिक शक्ति। इसके अलावा, इसकी लेजर आउटपुट पल्स ऊर्जा और चरम शक्ति नैनोफोटोनिक्स प्लेटफॉर्म के तहत मोड-लॉक लेजर के उच्चतम स्तर तक पहुंच गई है।

लिथियम नाइओबेट क्रिस्टल सामग्री एक दुर्लभ कृत्रिम क्रिस्टल सामग्री है जो पीजोइलेक्ट्रिक, इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल, एकोस्टो-ऑप्टिक, फोटोइलास्टिक, नॉनलाइनियर, फोटोरिफ़्रेक्टिव और लेजर-सक्रिय प्रभाव इत्यादि को जोड़ती है। साथ में स्थिर यांत्रिक गुणों, आसान प्रसंस्करण, उच्च तापमान प्रतिरोध के फायदे के साथ , संक्षारण प्रतिरोध, प्रचुर मात्रा में कच्चे माल के स्रोत, कम कीमत, और बड़े क्रिस्टल में बढ़ने में आसान, विशेष रूप से विभिन्न डोपेंट के कार्यान्वयन के बाद विभिन्न प्रकार के विशेष गुण दिखा सकते हैं, यह अब तक खोजे गए सबसे व्यापक और व्यापक फोटोनिक्स गुण हैं . यह सबसे अधिक फोटोनिक गुणों और लोगों द्वारा अब तक खोजे गए सबसे अच्छे व्यापक सूचकांक वाला क्रिस्टल है, और इसमें बाजार में आवेदन की बहुत व्यापक संभावना है। इसलिए, इसे फोटोनिक युग में "ऑप्टिकल सिलिकॉन" सामग्री के रूप में भी जाना जाता है, और इसका व्यापक रूप से उच्च-प्रदर्शन फिल्टर, इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल डिवाइस, होलोग्राफिक स्टोरेज, 3 डी होलोग्राफिक डिस्प्ले, नॉनलाइनियर ऑप्टिकल डिवाइस और ऑप्टिकल क्वांटम संचार में उपयोग किया जाता है।
मोड-लॉक लेजर पिकोसेकंड और फेमटोसेकंड समय के पैमाने पर तीव्र, सुसंगत, अल्ट्राशॉर्ट ऑप्टिकल पल्स उत्पन्न करने में सक्षम हैं, और इस प्रकार अत्यधिक नॉनलाइनियर ऑप्टिक्स, ऑप्टिकल परमाणु घड़ियों, ऑप्टिकल फ्रीक्वेंसी कॉम्ब्स, बायो-इमेजिंग जैसे अत्याधुनिक क्षेत्रों में अनुप्रयोगों का एहसास कर सकते हैं। और फोटोनिक कंप्यूटिंग। हालाँकि, वर्तमान पारंपरिक मोड-लॉक लेजर में उच्च कीमत, उच्च बिजली की खपत और बड़े आकार के नुकसान हैं, और लिथियम नाइओबेट नैनोफोटोनिक प्लेटफार्मों के साथ III-V अर्धचालकों के विषम एकीकरण पर आधारित मोड-लॉक लेजर से उच्च आउटपुट पावर प्राप्त करने की उम्मीद है। और उच्च ट्यूनेबिलिटी, इसलिए संबंधित प्रौद्योगिकियों ने शोधकर्ताओं का व्यापक ध्यान आकर्षित किया है।

मोड-लॉक लेजर के क्षेत्र में तकनीकी बाधा को ध्यान में रखते हुए, अनुसंधान टीम ने III-V गेन माध्यम और लिथियम नाइओबेट चरण मॉड्यूलेटर को एकीकृत करके पारंपरिक मोड-लॉक लेजर के आकार की सीमा को तोड़ दिया है, और मोड-लॉक लेजर का एहसास किया है आकार को चिप स्तर तक छोटा करते हुए उत्कृष्ट प्रदर्शन के साथ।
मोड-लॉक लेजर को दो तंत्रों में विभाजित किया जा सकता है: निष्क्रिय मोड-लॉकिंग और सक्रिय मोड-लॉकिंग। जैसा कि नीचे चित्र (ए) में दिखाया गया है, लेजर के सक्रिय मोड-लॉकिंग का एहसास करने के लिए, लेखकों ने लेजर अनुनाद गुहा के अंदर पतली-फिल्म लिथियम नाइओबेट पर आधारित एक इलेक्ट्रो-ऑप्टिक चरण मॉड्यूलेटर जोड़ा; चूंकि लिथियम नाइओबेट का अपवर्तक सूचकांक इलेक्ट्रो-ऑप्टिक प्रभाव के तहत समय-समय पर बदलता रहता है, जिसके परिणामस्वरूप ऑप्टिकल दालें गुहा के अंदर एक स्थिर स्थिति बनाए रखने में विफल रहती हैं, अनुसंधान टीम ने चरण मॉड्यूलेशन समय अवधि और राउंड- के बीच एक अच्छा मिलान भी डिजाइन किया है। गुहा के अंदर ऑप्टिकल दालों की यात्रा का समय, और चरण मॉड्यूलेशन समय अवधि के साथ एक अच्छा मिलान प्राप्त करने के लिए फैलाव ऑफसेटिंग का उपयोग किया गया। इसलिए, अनुसंधान ने चरण मॉड्यूलेशन समय अवधि और गुहा में ऑप्टिकल पल्स के राउंड-ट्रिप समय के बीच एक अच्छा मिलान प्राप्त करने के लिए डिज़ाइन किया है, और संचित चहचहाहट को ऑफसेट करने के लिए फैलाव का उपयोग किया है, और ऑप्टिकल पल्स हानि की भरपाई के आधार पर लेजर लाभ, और अंततः चरण लॉकिंग का एहसास, जैसा कि निम्नलिखित आंकड़ों (बीसी) में दिखाया गया है; वास्तविक एकीकृत लिथियम नाइओबेट मोड-लॉक ऑन-चिप लेजर का योजनाबद्ध आरेख निम्नलिखित चित्र (डी) में दिखाया गया है।
चित्र
एकीकृत लिथियम नाइओबेट मोड-लॉक ऑन-चिप लेजर का संचालन सिद्धांत और उपकरण योजनाबद्ध।
अनुसंधान टीम के अनुसार, अपनी उच्च आउटपुट पीक पावर और सटीक आवृत्ति नियंत्रण क्षमता के साथ, मोड-लॉक लेजर से पूर्ण ऑन-चिप एकीकरण के साथ एक अल्ट्राफास्ट नॉनलाइनियर ऑप्टिकल सिस्टम बनाने की उम्मीद है, इस प्रकार ऑप्टिकल आवृत्ति कॉम्ब्स, सुपरकॉन्टिनम प्रकाश स्रोत और परमाणु का एहसास होता है। पूर्ण आवृत्ति लॉकिंग वाली घड़ियाँ। इससे ऑप्टिकल संचार, मेडिकल इमेजिंग, सटीक माप, कंप्यूटिंग और अन्य क्षेत्रों के विकास में काफी सुविधा होगी। "लंबी अवधि में, ऑन-चिप मोड-लॉक लेजर में सुसंगत संचार, सटीक समय और सटीक माप के क्षेत्र में अपूरणीय अनुप्रयोग हो सकते हैं।"
छवि।

एकीकृत सक्रिय मोड-लॉक लेजर के वर्तमान ट्यूनिंग विश्लेषण परिणाम
इसके अलावा, सक्रिय मोड-लॉकिंग तंत्र पर आधारित पारंपरिक सॉलिड-स्टेट और फाइबर मोड-लॉक लेजर केवल बाहरी मॉड्यूलेशन आवृत्तियों की एक सीमित सीमा के भीतर मोड-लॉकिंग प्राप्त कर सकते हैं, और जब बाहरी मॉड्यूलेशन आवृत्ति प्रासंगिक सीमा से अधिक हो जाती है, तो लेजर आउटपुट ऑप्टिकल पल्स अपना निश्चित चरण संबंध खो देगा (यानी, यह सुसंगतता खो देगा)। जैसा कि ऊपर दिए गए चित्र में दिखाया गया है, पारंपरिक सक्रिय मोड-लॉक लेजर की तुलना में, इस अध्ययन में महसूस किए गए एकीकृत लिथियम नाइओबेट ऑन-चिप मोड-लॉक लेजर में पल्स पुनरावृत्ति आवृत्ति की एक बड़ी ट्यून करने योग्य रेंज है और यह सुसंगत ऑप्टिकल पल्स उत्पन्न करने में सक्षम है। 200 मेगाहर्ट्ज मॉड्यूलेशन आवृत्ति रेंज। इसके अलावा, स्पंदित लेजर की वाहक आवृत्ति और पल्स पुनरावृत्ति आवृत्ति को लेजर के पंप वर्तमान या मॉड्यूलेशन आवृत्ति को समायोजित करके महत्वपूर्ण रूप से बदला जा सकता है। इसका मतलब यह है कि मोड-लॉक लेजर को विभिन्न तरीकों से हेरफेर किया जा सकता है। लेजर के पंप वर्तमान या मॉड्यूलेशन आवृत्ति को सटीक रूप से नियंत्रित करने वाले फीडबैक द्वारा, लेजर की पल्स पुनरावृत्ति आवृत्ति और वाहक आवृत्ति को सटीक रूप से नियंत्रित किया जा सकता है, इस प्रकार एक ऑप्टिकल आवृत्ति कंघी का एहसास होता है जो आवृत्ति को सटीक रूप से नियंत्रित कर सकता है, जो सटीक आवृत्ति में अनुप्रयोगों के लिए बहुत महत्वपूर्ण है माप।
पारंपरिक सेमीकंडक्टर मोड-लॉक लेजर आमतौर पर एक ही सेमीकंडक्टर चिप पर लाभ क्षेत्र और संतृप्त अवशोषक (मोड-लॉक तत्व) को एकीकृत करते हैं। ट्राइबो-फाइव सेमीकंडक्टर की जटिल वाहक गतिशीलता के कारण, लेजर केवल बहुत ही संकीर्ण रूप से संचालित पंप वर्तमान ऑपरेटिंग क्षेत्र में अल्ट्राशॉर्ट पल्स जेनरेशन प्राप्त कर सकता है, जो उच्च-शक्ति लेजर आउटपुट की प्राप्ति के लिए अनुकूल नहीं है। हालाँकि, यह अध्ययन एक सक्रिय मोड-लॉकिंग तत्व के रूप में पतली-फिल्म लिथियम नाइओबेट का उपयोग करके ट्राइबो-पांच सेमीकंडक्टर की उच्च शक्ति उत्पादन क्षमता को पूरी तरह से उजागर करता है।
थिन-फिल्म लिथियम नाइओबेट के उत्कृष्ट गुणों के आधार पर, टीम ने थिन-फिल्म लिथियम नाइओबेट, इंटीग्रेटेड ऑप्टिक्स और नॉनलाइनियर ऑप्टिक्स के क्षेत्र में कई परिणाम हासिल किए हैं। उदाहरण के लिए, पतली-फिल्म लिथियम नाइओबेट नैनोफोटोनिक्स के दूसरे क्रम के नॉनलाइनियर ऑप्टिकल प्रभाव का उपयोग आज तक एक एकीकृत ऑप्टिक्स प्लेटफॉर्म पर सबसे तेज (46 फेमटोसेकंड), अल्ट्रा-लो एनर्जी (80 फेमटोकाइनेटिक) ऑल-ऑप्टिकल स्विचिंग को प्रदर्शित करने के लिए किया गया था। थिन-फिल्म लिथियम नाइओबेट प्लेटफ़ॉर्म पर, हमने बहुत अधिक लाभ (100 डीबी/सेमी) और बहुत बड़े लाभ बैंडविड्थ (600 एनएम) के साथ एक ऑप्टिकल पैरामीट्रिक एम्पलीफायर, आवृत्ति-ट्यून करने योग्य ऑप्टिकल पैरामीट्रिक ऑसिलेटर की एक विस्तृत श्रृंखला और का भी एहसास किया है। एकीकृत प्रकाशिकी के क्षेत्र में अब तक का उच्चतम क्वांटम संपीड़न (4.9 डीबी)।
साइंस के संपादक इयान एस. ओसबोर्न ने शोध की प्रशंसा की: "मोड-लॉक लेजर अल्ट्राफास्ट विज्ञान में एक अत्याधुनिक तकनीक है, जो अल्ट्राशॉर्ट सुसंगत ऑप्टिकल दालों और सटीक रिक्ति के साथ आवृत्ति कॉम्ब्स को सक्षम बनाता है। III-V लाभ माध्यम को एक के साथ एकीकृत करके लिथियम नाइओबेट चरण मॉड्यूलेटर, हमने पारंपरिक मोड-लॉक लेजर के आकार की बाधाओं को तोड़ दिया है और चिप स्केल को छोटा करते हुए उत्कृष्ट प्रदर्शन के साथ एक मोड-लॉक लेजर का एहसास किया है। इस शोध के परिणामों से अत्याधुनिक व्यावहारिक अनुप्रयोग होने की उम्मीद है सटीक माप और स्पेक्ट्रोस्कोपी जैसे क्षेत्र।"