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可调谐二极管激光器探索微结构和纳米结构 2020-02-25

微结构和纳米结构对于基础研究和应用量子技术变得越来越重要。该结构的突出应用实例是微腔和量子点,重要的应用实例包括单个或纠缠的光子源、量子计算机的量子位和各种传感器。这些结构还能够使得量子极限下的研究变成可能,例如微腔中的量子振荡、量子点的量子电动力学(qed),或者甚至在空腔中具有单量子点的腔qed 研究。

许多应用需要具有合适的可调谐连续波(cw)激光器的共振光学激发。通过以正确的波长光学泵浦微腔,甚至可以产生微观的相干频率梳和短的光脉冲——这是一项非常有前景的应用,有望对光电子学产生重大影响。

微腔

由于环境的去相干,在宏观物体中通常观察不到量子特性,除非使用特定的样品几何形状和冷却。例如使用微腔,是在相对较大的微米级结构中观察量子效应的一种可能性。图 1展示了一种隔离的、直径约 30μm的环形玻璃微腔,结合了宏观机械振荡器和环形高 q 光学腔。光经由倏逝场耦合到空腔中,通过全内反射从环形壁反射,通过辐射压力在结构上传递小的力。

微型光学和机械结合谐振器

通过这种方式,耦合的光可以影响结构的振动特性,反之亦然。该特性使得微腔成为量子研究中激动人心的研究对象。例如,研究人员观察到光和机械振荡之间的参数耦合,并且还使用基于光学机械耦合的传感器,对这种微腔进行主动反馈冷却。

由于其小尺寸,微腔的自由光谱范围相对较大,微小的尺寸偏差将导致腔谐振出现大的光谱偏移。因此,宽范围的无跳模可调谐激光器是发现和研究微腔共振频率,或扫描腔的一个以上自由光谱范围的重要工具。此外,激光器必须在功率和频率上具有低噪声,以避免有害的杂乱无章的机械振荡。

微腔谐振频率对尺寸和其他环境参数的依赖性,有望开发用于有前景的应用 :溶液中单个生物分子的无标记检测。使用微型光学谐振器结合宽范围的无跳模激光器(例如 toptica公司的 dlc ctl),使得上述应用成为可能。研究人员已经描述了这样的激光器如何被频率稳定到微型光学谐振器,并且观察到由结合到谐振器的分子引起的光共振频率如何移动。通过这种方式,检测并区别出半径在2~100nm 之间的粒子。

该结果进一步拓展到用于非侵入性肿瘤活检测定,以及为溶液中的光学质谱仪提供依据。对于这种应用,不仅需要宽范围的无跳模调谐,而且能够方便地将激光器稳定到微腔。例如,ctl 激光器具有内置的全数字稳定电子器件,并且可选择使用高带宽模拟或快速数字锁定电子器件。

基于微谐振器的频率梳

微谐振器也越来越多地被用于产生光学频率梳。由于导引光场的小模式体积和高达 1010 的高 q 因子,这些谐振器的强度变得非常高,使得非线性效应变得非常强烈。微谐振器可以通过非线性四波混频将 cw 激发光转换成其他频率分量,从而产生频率梳。

所得到的频率梳的性质,在很大程度上取决于泵浦激光波长,因为cw 激光器可以激发非相干高噪声状态以及孤子态。孤子态是有利的,因为所得到的频率梳是相干的并且具有极低噪声、窄线宽和短脉冲。如果从较高频率到较低频率扫描泵浦激光器,将发生不同孤子态间的急变阶段。每个阶段对应于在微谐振器中循环的孤子数量的连续减少。通过反馈至激光器,可以在其中一个阶段稳定微型梳,从而允许稳定的孤子操作。图 3所示为由可调谐二极管激光器泵浦氮化硅(sin ;见图 4)制成的这种微腔的光学单孤子光谱。


低噪声相干微频率梳的光谱  用于创建微型频率梳的sin制成微腔

基于晶体的微谐振器特别有前途,因为它们具有最高的 q 因子。迄今为止,它们只是用低噪声光纤激光器泵浦。这种光纤激光器不是宽调谐的,而传统的可调谐二极管激光器由于噪声较高而不合适。然而,新一代连续可调谐二极管激光器现在具有超低噪声电流驱动器和激光谐振器,允许低于 10khz 的窄线宽和低漂移。使用这些可调谐二极管激光器,甚至可以泵浦基于晶体的微型频率梳。通过高带宽主动频率稳定,激光器的线宽可以降低到 1hz 的水平,以研究泵浦激光器的噪声对微型频率梳的影响。

表征微谐振器中的色散,对于设计具有理想特性的器件是极其重要的。在这里,最终的工具是锁定到以非常受控的方式移动的稳定梳无跳模可调激光器。

量子点

半导体量子点在三维尺寸上具有纳米尺寸,使得它们的电子状态由于紧约束而被量化。这些量子点也显示出其他的类单原子特性,如较强的光子反聚束和近寿命极限的线宽,通常被称为人造原子。它们是有趣的系统,可用于实现量子位,并且由于半导体加工已被很好地理解,半导体量子点是可扩展量子计算机尤为有希望的候选者。与实际原子不同,半导体量子点可以以固态的方式生长,像光子晶体腔和波导等其他结构可以在其周围构建(见图 5)。

带有类原子特性

量子点状态的共振光学激发,对于相干状态的操纵和检测而言尤为重要。然而,由于本征随机生长过程,所有量子点的尺寸略有不同,因此具有不同的光学共振频率。为了发现和共振激发单个量子点的光学跃迁,宽范围、无跳模的可调谐窄带激光器是理想的工具。

对于耦合的量子点尤其如此。在通往可扩展量子位阵列的路途中,耦合量子点最近引起了相当大的兴趣。耦合量子点上的电子传输测量已经展示了电子和核自旋的自旋敏感耦合和操纵,并且已经在自组装耦合量子点中测量和计算了耦合激子的光谱。

一种方法是在彼此之上生长自组装的耦合量子点。这种量子点分子中的量子点相互耦合,可以通过电子 -空穴交换相互作用和电子 - 电子交换耦合来支配。通过其栅极电压改变量子点电荷状态,然后在这两个机制之间切换并改变 / 控制耦合强度。

这样的可变耦合强度使得这种双量子点对于量子比特和量子计算应用是有趣的。然而,它们的光学谐振可以相差几十纳米(约 10thz),以再次共振激发两个量子点,需要宽范围可调谐的无跳模激光器,来容易地从一个量子点改变到另一个量子点。

光子纳米结构中的量子点

单光子级量子光学实验的一个重要方面,是有力地增强和控制光与物质间的相互作用,使得发射的单光子优先耦合到明确定义的光学模式中。通过将量子点集成到诸如波导或光子晶体结构(例如空腔)的其他半导体结构中,甚至腔 qed 实验也是可能的,而不需要捕获原子。

光子纳米结构提供了一种调节光与物质间相互作用的手段。它们使得一系列实验成为可能,例如自发发射控制、改进的兰姆位移和增强的偶极 -偶极相互作用,以及高效的单光子源和非常大的非线性。

可调谐二极管激光器探索微结构和纳米结构

例如,通过将量子点集成到光子晶体波导中,丹麦哥本哈根 niels bohrinstitute 的研究人员能够证实单光子水平的非线性光学元件——单个光子被量子点反射,而多光子将通过(见图6)。光子间的这种非线性相互作用,使得经典和量子信息技术的逻辑运算成为可能,为可扩展的基于波导的光子学量子计算架构铺平了道路。

这里讨论的微纳和量子应用和实验有一个共同点——它们需要宽范围无跳模的可调谐激光器。新一代外腔二极管激光器(ecdl)可以提供非常高分辨率、非常宽范围的调谐,同时表现出窄线宽、低噪声和低漂移。这些改进的性能部分源于全数字控制器,确保主动反馈回路中的单模运行,以及在必要时自动优化激光腔的能力。

可调谐二极管激光器的最新进展,使得探索微纳和量子世界变得更加方便。本文所讨论的一些主题,可能会对未来的技术发展产生相当大的影响,例如当微频率梳置于手机或汽车中时,它们的卫星通信由量子加密保护,通过光子晶体中的量子点来实现。




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