Чиповый femtosecond-лазер: 1,05 нДж за 147 фс из интегрального Mamyshev oscillator
Интегральный лазер EPFL выдал импульсы энергией 1.05 нДж, которые после линейного сжатия достигли 147 фс. Режим синхронизации мод здесь удерживает Mamyshev-фильтрация: интенсивный импульс сам расширяет спектр и проходит через смещённые фильтры, тогда как слабое излучение теряет путь в резонаторе. Главный инженерный масштаб задаёт 42-см оптическая полость, свёрнутая в топологии одного чипа.
Группа EPFL с соавторами продемонстрировала интегральный фемтосекундный лазер с энергией импульса 1.05 нДж при частоте повторения 176 МГц. После внешнего линейного сжатия длительность импульса составила 147 фс. Результат опубликован в Nature и выделяется сочетанием нДж-класса энергии с монолитной фотонной резонаторной схемой: для интегральных источников именно запас пиковой мощности долго оставался узким местом.
Активная часть реализована на платформе Si3N4 с имплантированным эрбием. Волноводный резонатор длиной около 42 см уложен на кристалле; такую оптическую длину определяет нужная дисперсия, нелинейное взаимодействие и частота повторения. В полость включены два спектрально смещённых брэгговских отражателя. Их полосы отражения образуют спектральный зазор, который подавляет стационарную генерацию и низкоинтенсивный фон.
Режим синхронизации основан на схеме Mamyshev oscillator. При прохождении сильного импульса через нелинейный участок самофазовая модуляция создаёт новые спектральные компоненты. Расширенный спектр перекрывает полосу следующего фильтра и возвращается в резонатор. Слабое излучение получает слишком малый нелинейный набег фазы, почти не уширяется и фильтруется. Такая амплитудно-зависимая передача формирует эквивалент быстрого насыщающегося поглотителя, но строится из волноводной нелинейности и спектральных фильтров.
Энергия 1.05 нДж при 147 фс соответствует пиковой мощности порядка нескольких киловатт, хотя точное значение зависит от формы импульса и потерь компрессора. Этого оказалось достаточно для прямного запуска суперконтинуума в Si3N4-волноводе. Авторы получили спектр шириной 1.5 октавы. В отдельной демонстрации терагерцовой спектроскопии во временной области источник обеспечил полосу до 5 ТГц и динамический диапазон 90 дБ.
Термин «лазер на чипе» здесь относится к активной фотонной полости, усилению и фильтрации. Экспериментальная система пока использует внешние непрерывные диоды накачки на 1480 нм. Вне кристалла также остаются ввод и вывод света, драйверы накачки, тепловая стабилизация, компрессор и корпусировка. Именно эти узлы определят габариты, энергопотребление и повторяемость будущего прибора.
Ценность архитектуры состоит в совместимости с пластинным производством Si3N4 и в запасе энергии, достаточном для нелинейного преобразования частоты и терагерцовой генерации. Авторы открыли временные трассы, топологическую OASIS-маску, SEM-изображения и код моделирования. Это позволяет отдельно проверить дисперсионный проект, пороги Mamyshev-фильтрации и чувствительность режима к потерям в волноводах и спектральному сдвигу брэгговских отражателей.