Hvordan Raman Silisium Nanocavity Lasere Kan Operere på Korte Bølgelengder for Effektiv Optisk Kommunikasjon

Raman-silisium nanocavity lasere, spesielt de som benytter fotoniske krystallstrukturer, har tiltrukket seg betydelig oppmerksomhet på grunn av deres potensiale til å muliggjøre effektive og kompakte optiske kilder for kommunikasjonssystemer. Disse laserne opererer på en unik måte som kan gi lavere terskelverdier og høyere energieffektivitet enn tradisjonelle teknologier, som gjør dem til ideelle kandidater for integrerte optiske kretser.

Silisium, som er gjennomsiktig i det optiske kommunikasjonsbåndet fra 1,26 til 1,63 µm, har blitt et populært materiale i utviklingen av optoelektroniske chips for systemer som benytter bølgelengdedivisjonsmultiplexing (WDM) for kortdistansekommunikasjon. Ved å implementere Raman-silisium nanocavity lasere, hvor Stokes-bølgelengden er i O-båndet, kan slike systemer oppnå høyere dataoverføringshastigheter samtidig som de drar nytte av silisiums naturlige egenskaper som et optisk materiale.

En interessant tilnærming for å endre driftsbølgelengden til en fotonisk struktur uten å forringe ytelsen, er å endre alle dimensjonene til enheten proporsjonalt. For eksempel, ved å redusere dimensjonene på en silisiumfotonicenhet som opererer på 1,6 µm med 25 %, kan operasjonsbølgelengden flyttes til 1,2 µm. Denne metoden gjør det mulig å lage enheter for forskjellige bølgelengdebånd med samme grunnleggende design, hvilket forenkler produksjonen og reduserer kostnadene.

Et eksempel på en slik tilpasning kan sees i en Raman-silisium nanocavity laser som opererer ved en Stokes-bølgelengde på 1278 nm, i O-båndet. Denne laseren har en lattice konstant på 328 nm, en radius på lufthullene på 92 nm, og en silisiumslabbtykkelse på 177 nm. Selv om Q-faktorene for pumpe- og Stokes-modusene er lavere sammenlignet med lasere opererende i C-båndet, viser laseren fortsatt en distinkt inngangs-utgangsrelasjon, med en tydelig lasingsterskel ved cirka 2,5 µW, noe som indikerer god ytelse.

Det som er bemerkelsesverdig ved denne laseren, er at den til tross for relativt lave Q-faktorer, har oppnådd god lasingytelse takket være den økte Raman-gevinsten, $g_{\text{cavR}}$. Dette er et resultat av den spesifikke designen og justeringen av de fysiske parametrene, som gjør at laseren kan oppnå tilfredsstillende ytelse selv med lavere kvalitetsfaktorer.

Det er verdt å merke seg at de eksperimentelle resultatene også indikerer at variasjoner i resonansfrekvenser, Δf, kan ha en betydelig innvirkning på produksjonsutbyttet. En nøye kontroll av prosessene som påvirker disse variasjonene kan føre til høyere produksjonsutbytte og mer stabile lasere. For eksempel kan termisk behandling i flere trinn hjelpe til med å redusere defekter og urenheter i silisium nanocavityen, men dette kan samtidig redusere de totale kvalitetsfaktorene.

For å oppsummere er utviklingen av Raman-silisium nanocavity lasere, spesielt de som opererer på korte bølgelengder som i O-båndet, en lovende vei mot mer effektive optiske kommunikasjonssystemer. De gir en plattform for høy-effektive lasere med lav terskel, som er essensielle for fremtidens integrerte optiske kretser. Å forstå de fysiske prinsippene bak disse systemene, og å kunne kontrollere parametere som resonansfrekvens og kvalitetsfaktorer, er avgjørende for å utvikle lasere som kan møte kravene til moderne optisk kommunikasjon.

Hvordan Raman-silicium-nanocavity-laserteknologi på kortere bølgelengder kan forbedre ytelsen til lavterskellaser

Raman-silicium-nanocavity-laserteknologi har de siste årene fått økt oppmerksomhet på grunn av dens potensiale til å oppnå lavere terskelverdier og høyere effektivitet sammenlignet med tradisjonelle lasere. Spesielt er bruken av korte bølgelengder i Raman-silicium-nanocavity-lasere et område med betydelig interesse. Effekten av TPA (tredjeordens ikke-lineær optikk) er kjent for å være proporsjonal med bølgelengden, der effektivt modusvolum for TPA er omvendt proporsjonalt med λ³, og TPA-koeffisienten β er omvendt proporsjonal med λ. Dette innebærer at kortere bølgelengder potensielt kan føre til økt effektivitet i Raman-silicium-nanocavity-lasere, selv om effekten av TPA ved terskel for laseren er relativt liten. Dette kan tilskrives den lave bærerens tetthet som ofte observeres i disse enhetene, for eksempel estimert til 2.36 × 10¹⁵ cm⁻³ i enkelte tilfeller.

En utfordring som oppstår med kortere bølgelengder er det økte forholdet mellom overflate og volum i nanocavityene, noe som kan føre til en kortere bærerlevetid. Dette er et viktig aspekt å vurdere, ettersom bærerens levetid er avgjørende for laserens ytelse, spesielt når man arbeider med høyere frekvenser og dermed kortere bølgelengder. Imidlertid kan det lille volumet til nanocavityene føre til en økt overflate-dominert interaksjon, som reduserer levetiden til bærerne og dermed innvirker på lasereffektiviteten.

Raman-silicium-nanocavity-laserne opererende i både O- og C-båndene har vist seg å kunne levere bedre laserprestasjoner, med lavere terskelstrøm og høyere energiutnyttelse, spesielt når de er utformet med høyere kvalitetfaktorer (Q-faktor) og optimalisert for kortere bølgelengder. For eksempel kan lasere som opererer i O-båndet, med et Qp på 1.95 × 10⁵, oppnå en høyere maksimal effekt enn de som er konstruert for C-båndet, til tross for at de begge har høye Q-faktorer og er i stand til å produsere betydelig Raman-lys.

I produksjonen av Raman-silicium-nanocavity-laserne er det avgjørende å bruke SOI-substrater med nøyaktig kontrollert tykkelse for å sikre optimal ytelse i både O- og C-båndene. Denne prosessen innebærer flere trinn, inkludert maskeapplikasjon, etsing og påføring av elektronmikroskopresist, og er kritisk for å oppnå den nødvendige presisjonen i nanostrukturene som definerer laserenes effektivitet. Gjennom disse produksjonsmetodene er det mulig å oppnå høy kvalitet på laseren, noe som er viktig for å redusere taper og maksimere effekten.

Selv om de tekniske utfordringene er betydelige, har resultatene fra eksperimentene som er vist, som for eksempel ved 1,2 μm bølgelengdeområdet, demonstrert betydelig potensiale for forbedret ytelse og lavere terskelverdier. Videre forskning og utvikling innenfor områder som optimalisering av Q-faktorer, forbedring av produksjonsprosesser, og innføring av nye kilder for eksitasjon, som superluminescerende dioder, kan bane vei for Raman-silicium-nanocavity-

Hvordan Pulsrekkefølge Påvirker Kvantemekaniske Systemer i To-Dimensjonal Elektronisk Spektroskopi

For mer komplekse kvantesystemer bør de tre elektroniske tilstandene forstås som manifolder med en viss understruktur (for eksempel vibronisk struktur). Systemresponsen blir da oppnådd ved å utføre tredimensjonale summeringer over alle disse substatene. Selv i slike mer generelle tilfeller er det nyttig å dele systemet inn i (i) en grunntilstandsmanifold, (ii) en manifold med enkeltkvanttilstander som er koblet til grunntilstanden ved et optisk overgangsdipolmoment, og (iii) en manifold med to- kvanttilstander som er frakoblet fra grunntilstanden, men som kan befolkes via en optisk overgang fra enkeltkvanttilstandene. Disse 16 diagrammene har en klar og transparent fysisk betydning, som er skjematisk vist i Figur 5.8.

Den første pumpimpulsen skaper en elektronisk kohærens mellom tilstandene |0〉 og |1〉, som avtar med dekoherenstiden T201 = 1/γ for overgangen |0〉 → |1〉. Hvis den andre pumpen ankommer mens kohærensen fortsatt er til stede, omdanner den kohærensen til en befolkning i enten |0〉- eller |1〉-tilstanden. Viktig er at amplituden til denne befolkningen avhenger følsomt av fasen til den elektroniske kohærensen, og dette gjør det mulig å modulere befolkningen periodisk ved å justere τ med sub-syklus oppløsning.

I det mer generelle tilfellet med grunntilstands- og enkeltkvanttilstandens manifolder vil den andre pumpen lansere kohærente bølgepakker i de respektive tilstandene. I løpet av ventetiden T vil befolkningene (bølgepakkene i grunn- og eksiterte tilstander) utvikle seg over tid. De resulterende kvantedynamikkene blir deretter undersøkt av probe-laseret, og skaper en tredjeordens elektronisk kohærens mellom enten tilstandene |0〉 og |1〉 eller tilstandene |1〉 og |2〉. Den elektriske feltet som blir utsendt fra den tilsvarende ikke-lineære polarizasjonen, blir registrert i eksperimentet.

Derfor er Feynman-diagrammer vanligvis delt inn i diagrammer for grunntilstandsbleking (GSB), som undersøker befolkningsdynamikkene i den elektroniske grunntilstanden, og diagrammer for stimulert emisjon (SE) og eksitert tilstandsabsorpsjon (ESA), som er styrt av befolkningsdynamikkene i den eksiterte tilstanden. Eksitert tilstands dynamikk kan enten leses ut via probe-indusert stimulert emisjon fra |1〉 til |0〉 (SE) eller via eksitert tilstandsabsorpsjon fra |1〉 til en høyereliggende tilstand |2〉.

I tillegg klassifiseres Feynman-diagrammer i "rephasing" (R) og "non-rephasing" (NR) diagrammer. For rephasing-diagrammer oscillerer kohærensene som induceres av første pumpe og probe med frekvenser av motsatt tegn. For non-rephasing-diagrammer oscillerer derimot begge kohærensene enten med positive eller negative frekvenser med samme tegn. I inhomogent utvidede systemer kan rephasing-diagrammer generere fotonekkoer i det ikke-lineære svaret og muliggjøre separering av homogen og inhomogen utvidelse av systemet.

Så langt har vi diskutert de Feynman-diagrammene som skaper befolkninger etter interaksjonen med de to impulsene. I tillegg kan den elektroniske kohærensen som induseres av første pumpe også overføres til en elektronisk kohærens mellom |0〉 og |2〉, og dermed gi direkte tilgang til manifolden av to- kvanttilstander. I tredjeordens forstyrrelse vil dekoherensen av denne kohærensen bli følt via de to- kvant (2Q) Feynman-diagrammene. For planbølgeeksitasjon vil 2Q-signalene bli utsendt i retningen k2Q = +k1 + k2 − k3, og de vil ikke bli utsendt i probe-retningen for det eksitasjonsscenarioet som er vurdert så langt. De blir tilgjengelige ved å endre pulsrekkefølgen.

Det er viktig å merke seg at slike kvantemekaniske systemer og eksperimenter involverer høy grad av kompleksitet, spesielt når det gjelder tidsavhengig oppførsel og interaksjoner mellom elektroniske tilstander. En grundig forståelse av de koherente og ikke-koherente prosessene, samt de forskjellige diagramtypene, er avgjørende for å tolke dataene riktig. Dette innebærer ikke bare forståelsen av hva som skjer på mikroskopisk nivå, men også hvordan eksperimentelle teknikker som 2DES kan benyttes for å utforske og kontrollere dynamikken til disse systemene.