超對稱激光陣列

2019-07-11

對稱性在物理科學中發揮著重要作用,確保能量和動量守恒,同時規定了支配我們世界的允許的動力學定律。麥克斯韋方程中的洛倫茲不變性對發展相對論至關重要,交換對稱性使人們能夠將基本粒子分爲玻色子和費米子。在高能物理學中,其他主要的對稱性,如電荷對稱、宇稱對稱、時間反轉對稱和超對稱(SUSY),也作爲揭示自然規律的一種手段出現了。SUSY理論最初是在粒子物理學的背景下提出的,作爲龐加萊時空對稱的延伸,他雄心勃勃地試圖提供對所有基本相互作用的統一描述。通常,SUSY以一種內聚的方式將玻色子和費米子自由度聯系起來,直接暗示每種類型的玻色子都有一個超對稱的對應物,一個超對稱費米子,反之亦然。盡管SUSY在高能物理中的全部分支仍然是一個有待實驗驗證的爭論問題,但超對稱技術已經找到了進入低能物理、凝聚態物理、統計力學、非線性動力學和孤子理論以及隨機過程和Bardeen-Cooper-Schrieffer類型理論。

 

 

 

 

图1 SUSY激光器阵列的工作原理。(A)无限势井及其在连续SUSY体系中的超对称。除了基态外,主电势的所有特征值都与超对称粒子(superpartner)的特征值完全匹配。通过算符A和A?的作用,主电势及其超对称对应物的本征函数相互转化。(B)一个SUSY激光阵列的示意图,该阵列涉及耦合到其损超对称粒子(蓝色)的主要有源晶格(红色)。SUSY激光器仅以基本同相模式发射。

 

提高耦合激光器阵列的辐射率一直是光子学领域的一个挑战。在发现半导体激光器后不久,就有人提出这种发射器的集成阵列可以提供一种可行的方法来扩大辐射率(单位面积功率/单位立体角),同时避免由非线性和广域器件中的丝状结构引起的并发症。不幸的是,这种阵列往往支持多种空间模式(超模),这是一种不希望有的行为会反过来降低了发射光束的质量。从那以后,这一现状为寻找策略提供了动力,通过强制耦合激光阵列在基模(同相)下工作,使产生高功率和衍射受限的相干光束称为可能。在这方面,已经开发了几种方案,例如在反导向(antiguided)装置中使用共振漏波耦合的方案。另一种选择是,可以考虑大功率应用的广域激光装置,其中时空动力学在发射特性中起着重要作用。开发适用于任何类型的有源阵列的完全集成的全局方法,以加强单模激光在基横超模将是有益的。近日中佛罗里达大学的科学家在《Science》上介绍了一种超對稱激光陣列的实现方法。从远场和光谱测量可以证明,这种晶格以其基模稳定发射。在这种SUSY排列中,主阵列与一个有损超对称粒子配对,其作用是抑制所有不需要的高阶模式,同时提高初级晶格的基本超模态所获得的增益。在实现这种激光器的过程中,研究人员利用了Witten首先提出的SUSY形式。然而,到目前为止,SUSY在有源平台中的同谱性的含义,以及它与非线性和非厄米性的相互作用还没有被探索。作者的工作为这类研究奠定了基础,展示了一种基于SUSY的激光器。

 

 

 

 

图2 SUSY激光阵列的扫描电子显微镜(SEM)图像和模态场分布图。由五元主阵列组成的制造的SUSY晶格的扫描电镜图像,其位置靠近(400纳米)四元超对称粒子。插图显示了一个独立的五元激光阵列。(b)通过数值模拟获得的与SUSY排列支持的特征模式相关的强度分布。五元激光器的基本模式仅限于主阵列,而所有的高阶模式都与有损超对称粒子耦合。虚线表示主阵列和超对称结构之间的边界。

 

SUSY激光器陣列以InGaAsp量子阱爲增益材料,在InP晶圓上實現。使用電子束光刻和等離子蝕刻技術來設定結構(圖2A)。通過有限元模擬,確定了這些結構的模態含量。圖2B描述了該SUSY配置支持的所有模式的強度分布。然後通過定制的光學裝置來評估SUSY激光器的性能。陣列使用一個輸出爲1064納米波長的泵浦光纖激光器,采用空間掩模對不同區域進行選擇性泵浦。用光譜儀和紅外攝像機對激光切面産生的相幹輻射(以1450納米爲中心)進行了監測,並利用陷波濾波器對泵浦殘余輻射進行了抑制。與沿激光慢軸的遠場發射有關的衍射角是通過光柵掃描陣列前面的一個矩形孔徑來確定的。在每一步,激光總發射功率也由光電二極管測量。

 

 

 

 

图3 SUSY激光器阵列的光谱和远场特性。(A,C和E)发射光谱(A)单个激光腔,(C)标准的五元件激光器阵列和(E)相应的SUSY激光器装置。垂直轴标准化为SUSY激光的光谱。au,任意单位。标准阵列频谱中的每一个纵向共振频率分成五条线,对应于五个横向超模。相反,SUSY阵列的光谱没有这种不希望的共振,表明所有高阶模都被抑制。(B,D和F)来自相应激光器的远场衍射图案。与SUSY激光器相关的测量衍射角(~5.8°)小于标准激光器阵列(~19°)和单个波导激光器(~12°)。FWHM,半高全宽。

 

比较了三种不同结构的光谱响应、远场发射和光特性:(i)单脊波导激光元件;(i i)包含五个渐逝耦合脊腔的标准激光阵列;(i i i)由一个主要有源五元晶格及其相应的四元有损超对称组成的SUSY激光阵列。在后一种结构中,两个晶格彼此靠近制造,因此耦合。该系统的设计使SUSY保持连续,这是通过适当地改变超对称阵列(图3、A、C和E)中脊元素的宽度和间距(相当于相应的有效折射率)来实现的。这些激光器以平均功率密度水平均匀地被泵浦,大约是SUSY激光器阈值的四倍。利用刀口阻断泵浦,在超对称阵列中引入损耗。在这些泵浦条件下,单元空腔以1443nm左右的波长以几种纵向模式(TE0模式)发射激光(图3A)。当五元标准激光阵列暴露在相同的泵功率密度下时,发现每个纵向模式分裂成五条线,对应于所涉及的五个超模的共振(图3C)。这种多模操作可能导致这种晶格发射的光束质量的实质性恶化。相反,当SUSY激光阵列在相同的泵浦强度水平照射时(超对称结构被阻挡),该装置以一个横向超模式发射(图3E)。此外,这种SUSY激光器产生的峰值强度现在是标准激光阵列(即没有对称结构)的4.2倍,是单元激光器的8.5倍。这些结果清楚地表明,在SUSY激光排列中,所有的高阶横向模态都被抑制而有利于基模态。

 

 

 

 

图4 发射特性。(A)对应于单个激光元件(绿线)、五元激光阵列(蓝线)和SUSY激光排列(红线)的光曲线。标准阵列和SUSY激光器的输出功率和斜率效率相当,超过单腔激光器的输出功率和斜率效率。(B)标准和SUSY激光器光谱演化行为的比较。即使在略高于阈值的泵浦水平下,标准激光器阵列(蓝线)也是高度多模的,而SUSY激光器阵列(红线)保持横向单模。

 

爲了進一步驗證預期的SUSY響應,收集了這三個激光系統的遠場輻射以及慢軸方向(平行于晶圓)的衍射分布。這些測量值相應地顯示在圖3B、D和F中。這三種輻射模式之間的比較揭示了SUSY激光器工作方式的顯著差異。與標准激光陣列相反,其遠場顯示衍射角約爲19°的多瓣形輪廓(圖3D),SUSY陣列的遠場顯示單個亮點,其發散角較小,約爲5.8°(圖3F)。這種低發散行爲是僅在同相低階模式下工作的激光陣列的一個特征屬性。在衍射圖(圖3F)中觀察到的輕微不對稱是由于超對稱陣列施加的光學引力造成的。此外,在標准陣列系統中,我們觀察到一個隨泵浦強度變化的多瓣遠場模式。更重要的是,與SUSY激光器相關聯的光束光斑尺寸比單個激光元件(約12°)窄,如圖3B所示,表明與SUSY排列相關聯的亮度更高。這些實驗獲得的衍射圖樣與數值模擬結果吻合得很好。

 

最後,在對應于這三個激光器的光曲線及其光譜演變中,SUSY和標准激光陣列在輸出功率方面均優于單元素激光器(圖4A)。當比較總輸出功率時,發現兩個陣列(標准陣列和SUSY陣列)具有相似的阈值和斜率效率。另一方面,圖4B提供了關于高階超模激光起始的有價值信息。隨著泵浦功率逐漸增加到阈值以上,標准激光陣列的高階模式開始陸續出現在光譜中(圖4B中的藍線),而SUSY陣列仍然以其基橫模與較大的光譜峰(圖4B中的紅線)輸出激光。這些觀察證實,在SUSY激光器中,所有不希望出現的高階模式都是通過耦合到損耗超對稱結構而被有效消除的,使基模在競爭中勝出。實驗結果還表明,超對稱陣列的損耗對SUSY激光器的效率沒有影響。作者的結果不僅爲設計擴大集成激光器輻射亮度的新方案來鋪平了道路,而且在更基本的層面上,也能揭示非厄密性和超對稱性之間有趣的協同作用。

 

(來源:光電彙)

 

 

 

 

 

 

 

 

 



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