Революционный электро-оптический лазер выдает частоту импульсов 30 ГГц для ультрабыстрой визуализации и коммуникаций

• Новый электро-оптический лазер в 100 раз быстрее конвенционального ультрабыстрого лазерного света.
• Система надежна и производит точные и стабильные импульсы на 30 ГГц.
• Он может использоваться в биологической/химической визуализации и для внедрения более быстрых коммуникационных сетей.

Ультрабыстрые лазеры генерируют серию световых импульсов, которые длятся до фемтосекунд. Они могут функционировать как частотные гребенки, обеспечивая частотную и временную референцию, связывающую микроволновую и оптическую области электромагнитного спектра.

Поскольку фаза этих импульсов может быть контролирована, у них есть множество приложений — от управления квантовыми состояниями материи до оптических атомных часов. Хотя возможности ультрабыстрых лазеров улучшались на протяжении лет, им требуется интегральная стабильность модово-замкнутого резонатора.

Теперь исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) пришли с альтернативным подходом, который генерирует серию оптических импульсов без модового замыкания. Они называют это электро-оптическим лазером, который излучает импульсы в 100 раз быстрее традиционного ультрабыстрого лазера. По сути, это электро-оптическая модуляция лазера, разработанного с обычной электроникой.

Чем он отличается от ультрабыстрых лазеров?

Хотя идея построения электро-оптического лазера довольно проста и технология существует уже почти 50 лет, ученые не могли переключать свет для излучения ультрабыстрых импульсов, устраняя электронные помехи.

Обычно метод модового замыкания включает отражение света туда-сюда в зеркальной полости таким образом, что волны конструктивно интерферируют друг с другом для производства коротких импульсов. Однако новая техника работает по более грубому силовому механизму: она режет непрерывный лазерный луч на отдельные импульсы, уменьшая тепловые помехи.

По мере того как сигналы отражаются туда-сюда внутри полости, фиксированные волны появляются на самых высоких частотах, блокируя все остальные частоты. Стабилизация и фильтрация сигналов выполняются внутри этой полости.

Более конкретно, они использовали инфракрасный лазер (излучающий непрерывную волну) для генерации импульсов с осциллятором, стабилизированным кастомной полостью. Все импульсы единообразны и проходят через структуру волновода на микрочипе для производства разных цветов в частотной гребенке.

Источник: ScienceMag | doi:10.1126/science.aat6451 | NIST

Оптическая частотная гребенка используется как источник в традиционном ультрабыстром свете. Такие гребенки строятся с модово-замкнутыми лазерами, которые создают импульсы из нескольких цветов световых волн, накладывающихся друг на друга и формирующих связи между микроволновыми и оптическими частотами. Электро-оптический лазер, с другой стороны, применяет электронные вибрации к инфракрасному лазеру, эффективно формируя импульсы в свет.

Электро-оптический лазер изолирует свет определенных частот для формирования частотной гребенки разных цветов | David Carlson/NIST

Модово-замкнутые лазеры генерируют импульсы каждые 10 наносекунд, тогда как электро-оптический лазер тратит только 100 пикосекунд на генерацию одного импульса (в 100 раз быстрее).

Приложения

Для построения электро-оптического лазера исследователи выбрали использование только коммерчески доступных микроволновых и телекоммуникационных инструментов. Это делает систему более надежной. Также ее стабильность и точность довольно приличные, делая ее подходящей для более быстрых коммуникационных систем и долгосрочного измерения оптических часовых сетей.

Читайте также: DARPA будет использовать лазерный источник света для питания малых самолетов на лету

Кроме того, такой лазер может использоваться в биологической и химической визуализации для ускорения конкретных типов визуализации тканей/химикатов. Например, гиперспектральная визуализация, которая обычно занимает минуту, может выполняться в реальном времени.