Ako odklon od štandardných prístupov k blokovaniu modelov, tím výskumníkov vedený profesormi Giacomom Scalarim a Jerome Faistom z Katedry fyziky na ETH Zurich a profesorom Christianom Jirauschekom z Technickej univerzity v Mníchove vytvoril monolitický polovodičový laser s kontinuálnou a široko laditeľnou opakovacou frekvenciou od 4 do 16 GHz. A čo je zaujímavé, ich prístup by mal fungovať aj pre iné polovodičové lasery a vlnové dĺžky laserovej emisie.
Aby sa to podarilo, výskumníci použili terahertzový (THz) kvantový kaskádový laser (QCL) na vytvorenie koherentných frekvenčných hrebeňov. Aj keď je dobre známe, že THz QCL možno použiť na generovanie hrebeňov, nedávny vývoj planarizovaných THz QCL so zlepšenými mikrovlnnými vlastnosťami ich povzbudil, aby preskúmali silnú moduláciu laserovej dutiny pomocou externých mikrovĺn-a objavili niekoľko nových režimov prevádzky polovodičových laserov.
„Naše zariadenie je založené na planarizovanom THz QCL. Materiál jeho aktívnej oblasti pozostáva zo supermriežky arzenidu gália (GaAs)/arzenidu hliníka gália (AlGaAs), plátku-pripojenej k nosnému substrátu GaAs,“ vysvetľuje Urban Senica, ktorý bol v tom čase Ph.D. študent na ETH Zurich, ale teraz je postdoktorandom v Laboratóriu nanoškálovej optiky Harvardskej univerzity. "Pomocou fotolitografie a suchého leptania je definovaný aktívny hrebeňový vlnovod a následne planarizovaný pomocou nízko{5}}stratového polyméru benzocyklobuténu (BCB). Vlnovod je vložený vertikálne medzi dve rozšírené metalizované vrstvy, ktoré obmedzujú optický a mikrovlnný režim a pôsobia ako elektrické kontakty na predpätie laserového zariadenia."
Táto konfigurácia má za následok nízke straty pri šírení, znižuje chromatickú disperziu, zvyšuje rozptyl tepla a zlepšuje mikrovlnné vlastnosti, pretože laser je zabudovaný do mikrovlnného vlnovodu s nízkou{0}}stratou a nízkou{1}}impedanciou.
Aktívne uzamknutie režimu
Metóda tímu je založená na aktívnom blokovaní režimov, ktoré zahŕňa moduláciu predpätia lasera prostredníctvom externého elektrického signálu na generovanie sledu koherentných krátkych optických impulzov (frekvenčný hrebeň). V predchádzajúcich demonštráciách to fungovalo iba vtedy, ak bola frekvencia modulačného signálu synchronizovaná s časom, ktorý potrebuje svetlo na cestu medzi dvoma zrkadlami lasera (je to dané rozmermi fyzickej dutiny).
„Predviedli sme úplne nový režim, v ktorom dokážeme priebežne a plošne vylaďovať frekvenciu opakovania pulzového sledu až o 400 %,“ hovorí Senica. "Táto mimoriadna laditeľnosť sa dosahuje vytvorením stojatej mikrovlnnej oscilácie pozdĺž celej dutiny lasera, čo vedie k efektu ťahania impulzov, ktorý zrýchľuje alebo spomaľuje optický impulz, aby bol vždy synchronizovaný s frekvenciou externej modulácie."
Ovládanie rýchlosti-optických impulzov na čipe pomocou mikrovĺn
Jedným z najúžasnejších aspektov tejto práce je „rýchlosť optických impulzov na fotonickom čipe môžeme v podstate ovládať pomocou mikrovĺn,“ hovorí Senica. "V jednoduchej analógii je to podobné vodnej vlne, ktorá tlačí surfera dopredu. Technickejšie povedané, medzi mikrovlnným a optickým impulzom je frekvenčný-závislý fázový posun a výsledný gradient zosilnenia/straty má za následok upravenú skupinovú rýchlosť optického impulzu tak, aby sa nová frekvencia opakovania zhodovala s externou mikrovlnnou frekvenciou. Prelomovým momentom bolo, keď sme boli schopní plne pochopiť tento proces a výsledky simulácie."
Celý tento projekt je vyvrcholením niekoľkých rokov veľkého technického a vedeckého pokroku, vrátane návrhu a rastu epitaxie molekulárneho lúča v širokopásmovej laserovej aktívnej oblasti; simuláciu, výrobu a charakterizáciu planarizovaných THz QCL; a rozsiahle analytické a numerické simulácie modulovanej laserovej dutiny.
Kľúčová časť práce tímu zahŕňala pokročilé simulácie ich zariadení. „Naši spolupracovníci na TU Mníchov v Nemecku vyvinuli nový simulačný prístup na modelovanie celej modulovanej laserovej dutiny,“ hovorí Senica. „To zahŕňa modelovanie kvantového systému lasera, mikrovlnného šírenia a generovania optických impulzov-spájajúc tri rôzne domény v rámci jednej simulačnej štúdie, presne reprodukujúce experimentálne výsledky a poskytujúce kľúčové poznatky o dynamike lasera.“
Pred nami sú komunikačné, spektroskopické a snímacie aplikácie
Vďaka ich kontinuálne a široko laditeľným laserom s uzamknutým režimom existuje veľa potenciálnych aplikácií pre komunikáciu, spektroskopiu a snímanie. „Pre časovú oblasť je možné koherentný sled impulzov synchronizovať s ľubovoľným externým mikrovlnným signálom alebo laditeľnou oneskorovacou linkou,“ hovorí Senica. "Pre frekvenčnú doménu môže rozstup laditeľných režimov v rámci frekvenčného hrebeňa uzavrieť akékoľvek spektrálne medzery."
Senica a kolegovia už v skutočnosti demonštrovali experiment s absorpčnou spektroskopiou, ktorý si vyžadoval iba jednoduchý detektor intenzity-namiesto stolového-spektrometra.
"Veríme, že náš prístup bude tiež relatívne jednoduchý na implementáciu s inými typmi polovodičových laserov v infračervenej a viditeľnej oblasti elektromagnetického spektra a pripraví cestu pre širokú škálu aplikácií," hovorí Senica. "Dôležitým aspektom budú optimalizované mikrovlnné vlastnosti spolu s pokročilým balením takýchto zariadení."
