Skupina raziskovalcev, ki sta jo vodila profesorja Giacomo Scalari in Jerome Faist na Oddelku za fiziko na ETH Zürich ter profesor Christian Jirauschek na Tehnični univerzi v Münchnu, je v odstopu od standardnih pristopov zaklepanja modelov ustvarila monolitni polprevodniški laser z zaklenjenim modelom z zvezno in široko nastavljivo hitrostjo ponavljanja od 4 do 16 GHz. In zanimivo je, da bi moral njihov pristop delovati za druge polprevodniške laserje in valovne dolžine laserskih emisij.
Da bi to izvedli, so raziskovalci uporabili teraherčni (THz) kvantni kaskadni laser (QCL) za izdelavo koherentnih frekvenčnih glavnikov. Čeprav je dobro znano, da se THz QCL lahko uporabljajo za ustvarjanje glavnikov, jih je nedavni razvoj planariziranih THz QCL z izboljšanimi mikrovalovnimi lastnostmi spodbudil k raziskovanju močne modulacije laserske votline z uporabo zunanjih mikrovalov-in odkrili so več novih režimov delovanja polprevodniškega laserja.
»Naša naprava temelji na planariziranem THz QCL. Njen material aktivne regije je sestavljen iz supermreže galijevega arzenida (GaAs)/aluminijevega galijevega arzenida (AlGaAs), rezin-vezanih na nosilni substrat GaAs,« pojasnjuje Urban Senica, ki je bil takrat doktor znanosti. študent na ETH Zürich, zdaj pa je podoktorski sodelavec v Laboratoriju za nanometrsko optiko univerze Harvard. "Z uporabo fotolitografije in suhega jedkanja je definiran valovod z aktivnim grebenom in nato planariziran s polimerom benzociklobutena z nizkimi-izgubami (BCB). Valovod je stisnjen navpično med dve razširjeni metalizacijski plasti, ki omejujejo optični in mikrovalovni način ter delujejo kot električni kontakti za prednapetost laserske naprave."
Ta konfiguracija ima za posledico majhne izgube pri širjenju, zmanjša kromatsko disperzijo, poveča odvajanje toplote in izboljša mikrovalovne lastnosti, ker je laser vdelan v mikrovalovni valovod z nizkimi-izgubami in nizko-impedanco.
Aktivno zaklepanje modelov
Metoda ekipe temelji na aktivnem zaklepanju modelov, ki vključuje modulacijo prednapetosti laserja prek zunanjega električnega signala za ustvarjanje niza koherentnih kratkih optičnih impulzov (frekvenčni glavnik). V prejšnjih demonstracijah je to delovalo le, če je bila frekvenca modulacijskega signala sinhronizirana s časom, ki je potreben, da svetloba potuje med dvema ogledaloma laserja (določeno je s fizičnimi dimenzijami votline).
»Demonstrirali smo popolnoma nov režim, v katerem lahko zvezno in široko uravnavamo frekvenco ponavljanja impulznega niza za kar 400 %,« pravi Senica. "Ta izjemna nastavljivost je dosežena z oblikovanjem stoječega mikrovalovnega nihanja vzdolž celotne laserske votline, kar ima za posledico učinek vlečenja impulza, ki pospeši ali upočasni optični impulz, da je vedno sinhroniziran z zunanjo modulacijsko frekvenco."
Nadzor hitrosti-optičnih impulzov na čipu prek mikrovalov
Eden najbolj kul vidikov tega dela je, "da lahko v bistvu nadzorujemo hitrost optičnih impulzov na fotonskem čipu z mikrovalovi," pravi Senica. »V preprosti analogiji je to podobno vodnemu valu, ki deskarja potiska naprej. V bolj tehničnem smislu je med mikrovalovnim in optičnim impulzom-odvisen fazni zamik, posledični gradient povečanja/izgube pa povzroči spremenjeno skupinsko hitrost optičnega impulza, tako da se nova stopnja ponavljanja ujema z zunanjo mikrovalovno frekvenco. Prelomni trenutek je bil, ko smo lahko v celoti razumeli ta proces z dobrim strinjanjem med eksperimentalnimi in rezultate simulacije."
Ta celoten projekt je vrhunec večletnega velikega tehničnega in znanstvenega napredka, vključno z zasnovo in rastjo epitaksije z molekularnim žarkom aktivnega področja širokopasovnega laserja; simulacija, izdelava in karakterizacija planariziranih THz QCL; ter obsežne analitične in numerične simulacije modulirane laserske votline.
Ključni del dela ekipe je vključeval napredne simulacije njihovih naprav. "Zlasti naši sodelavci na TU München v Nemčiji so razvili nov simulacijski pristop za modeliranje celotne modulirane laserske votline," pravi Senica. "To vključuje modeliranje kvantnega sistema laserja, širjenje mikrovalov in ustvarjanje optičnih impulzov-, ki združuje tri različne domene znotraj ene same simulacijske študije, natančno reprodukcijo eksperimentalnih rezultatov in zagotavljanje ključnih vpogledov v lasersko dinamiko."
Prihajajo aplikacije za komunikacije, spektroskopijo in zaznavanje
Zahvaljujoč njihovim zvezno in široko nastavljivim laserjem z zaklenjenim načinom obstaja veliko potencialnih aplikacij za komunikacije, spektroskopijo in zaznavanje. "Za časovno domeno je mogoče koherentni niz impulzov sinhronizirati s poljubnim zunanjim mikrovalovnim signalom ali nastavljivo linijo zakasnitve," pravi Senica. "Za frekvenčno domeno lahko nastavljiv razmik med načini znotraj frekvenčnega glavnika zapre vse spektralne vrzeli."
Pravzaprav so Senica in njegovi sodelavci že prikazali poskus absorpcijske spektroskopije, ki je zahteval le preprost detektor intenzivnosti-in ne namizni-spektrometerski instrument.
"Verjamemo, da bo naš pristop razmeroma preprost za implementacijo z drugimi vrstami polprevodniških laserjev v infrardečem in vidnem območju elektromagnetnega spektra ter bo utrl pot za široko paleto aplikacij," pravi Senica. "Pomemben vidik bodo optimizirane mikrovalovne lastnosti, skupaj z naprednim pakiranjem takih naprav."
