Sólitons escuros detectados em lasers semicondutores de anel – Physics World

Sólitons escuros – regiões de extinção óptica contra fundos brilhantes – foram observados formando-se espontaneamente em lasers semicondutores em anel. Feita por uma equipe internacional de pesquisadores, a observação poderá levar a melhorias na espectroscopia molecular e na optoeletrônica integrada.

Os pentes de frequência – lasers pulsados ​​que emitem luz com frequências igualmente espaçadas – são uma das conquistas mais importantes na história da física do laser. Às vezes chamadas de réguas ópticas, elas são a base dos padrões de tempo e frequência e são usadas para definir muitas quantidades fundamentais na ciência. No entanto, os lasers de pente de frequência tradicionais são volumosos, complexos e caros e os especialistas em laser estão interessados ​​em desenvolver versões mais simples que possam ser integradas em chips.

Ao realizar uma dessas tentativas em 2020, pesquisadores em Frederico CapassoO grupo de Na Universidade de Harvard descobriu acidentalmente que, depois de entrar inicialmente em um regime altamente turbulento, um laser de anel em cascata quântica se estabeleceu em um pente de frequência estável – embora com apenas nove dentes – na região de “impressão digital” do infravermelho médio amplamente utilizada em espectroscopia molecular.

Um laser de anel possui uma cavidade óptica na qual a luz é guiada em torno de um circuito fechado e um laser em cascata quântica é um dispositivo semicondutor que emite radiação infravermelha.

Resultados inesperados

“Todos esses resultados interessantes vieram de um dispositivo de controle – não esperávamos que isso acontecesse”, diz Harvard's Marco Piccardo. Após meses de coçar a cabeça, os investigadores descobriram que o efeito pode ser entendido em termos de uma instabilidade na equação diferencial não linear que descreve o sistema – a complexa equação de Ginzberg-Landau.

No novo trabalho, Capasso e colegas se uniram a pesquisadores da área Benedikt Schwarzdo grupo da Universidade de Tecnologia de Viena. A equipe austríaca desenvolveu vários projetos de pentes de frequência baseados em lasers quânticos em cascata. Os pesquisadores integraram um acoplador de guia de ondas no mesmo chip. Isto torna muito mais fácil extrair luz e consegue maior potência de saída. Também permite que os cientistas ajustem as perdas de acoplamento, empurrando o laser entre o regime de pente de frequência e o regime onde deveria operar como um laser de onda contínua que emite radiação continuamente.

No regime de “onda contínua”, porém, algo ainda mais estranho acontece. Às vezes, quando o laser é ligado, ele se comporta simplesmente como um laser de onda contínua, mas desligar e ligar o laser pode fazer com que um ou mais sólitons escuros apareçam aleatoriamente.

Sólitons são pacotes de ondas de radiação não lineares, não dispersivas e auto-reforçadas que podem se propagar pelo espaço indefinidamente e passar uns pelos outros efetivamente inalterados. Eles foram observados pela primeira vez em 1834 em ondas de água, mas posteriormente foram vistos em vários outros sistemas físicos, incluindo a óptica.

Sólitons em pequenas lacunas

O que é surpreendente nesta última observação é que os sólitons aparecem como pequenas lacunas na luz laser contínua. Esta mudança aparentemente pequena na emissão do laser provoca uma mudança tremenda no seu espectro de frequência.

“Quando se fala em laser de onda contínua, significa que no domínio espectral se tem um único pico monocromático”, explica Piccardo. “Esta queda significa o mundo inteiro… Estas duas imagens estão relacionadas pelo princípio da incerteza, então quando você tem algo muito, muito estreito no espaço ou no tempo, isso significa que no domínio espectral você tem muitos, muitos modos, e tendo muitos, muitos modos significam que você pode fazer espectroscopia e observar moléculas que emitem em uma faixa espectral muito, muito grande.”

Sólitons escuros já foram vistos ocasionalmente antes, mas nunca em um pequeno laser injetado eletricamente como este. Piccardo diz que espectralmente falando, um sóliton escuro é tão útil quanto um brilhante. Algumas aplicações, como a espectroscopia de bomba-sonda, requerem pulsos brilhantes, entretanto. As técnicas necessárias para produzir sólitons brilhantes a partir de sólitons escuros serão objeto de trabalhos futuros. Os pesquisadores também estão estudando como produzir sólitons de forma determinística.

Pente de frequência óptica cabe no seu bolso traseiro

Uma vantagem crucial deste design de pente para integração é que, como a luz circula em apenas uma direção no guia de ondas em anel, os pesquisadores acreditam que o laser é inerentemente imune ao feedback que pode perturbar muitos outros lasers. Portanto, não seriam necessários isoladores magnéticos, que muitas vezes são impossíveis de integrar em chips de silício em escala comercial.

Com a integração em mente, os pesquisadores querem estender a técnica além dos lasers em cascata quântica. “Apesar de o chip ser realmente compacto, os lasers em cascata quântica normalmente requerem altas tensões para operar, então não são realmente uma maneira de colocar a eletrônica no chip”, diz Piccardo. “Se isso pudesse funcionar em outros lasers, como os lasers em cascata interbanda, poderíamos miniaturizar tudo e ele poderia realmente funcionar com bateria.”

físico de laser Pedro Delfyett da Universidade da Flórida Central, em Orlando, acredita que o trabalho é promissor para trabalhos futuros. “Este pulso escuro no domínio da frequência é um banco de cores e, embora sua pureza espectral seja bastante boa, seu posicionamento exato ainda não foi alcançado”, diz ele. “No entanto, o fato de eles poderem fazer isso – produzir solitons no chip com um dispositivo bombeado eletricamente – é na verdade um avanço extremamente significativo. Sem dúvida.”

A pesquisa é descrita em Natureza.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/dark-solitons-spotted-in-ring-semiconductor-lasers/