V odklonu od standardních přístupů k blokování modelů vytvořil tým výzkumníků vedený profesory Giacomo Scalari a Jerome Faist z katedry fyziky na ETH Zurich a profesorem Christianem Jirauschekem z Technické univerzity v Mnichově monolitický polovodičový laser s kontinuálně a široce laditelnou opakovací frekvencí od 4 do 16 GHz. A je zajímavé, že jejich přístup by měl fungovat i pro jiné polovodičové lasery a vlnové délky laserové emise.
Aby to vědci odstranili, použili terahertzový (THz) kvantový kaskádový laser (QCL) k výrobě koherentních frekvenčních hřebenů. I když je dobře známo, že THz QCL lze použít ke generování hřebenů, nedávný vývoj planarizovaných THz QCL se zlepšenými mikrovlnnými vlastnostmi je povzbudil k prozkoumání silné modulace laserové dutiny pomocí externích mikrovln-a objevili několik nových režimů provozu polovodičových laserů.
„Naše zařízení je založeno na planarizovaném THz QCL. Materiál jeho aktivní oblasti se skládá ze supermřížky arsenid galia (GaAs)/arsenid hliníku a galia (AlGaAs), plátek-připojený k nosnému substrátu GaAs,“ vysvětluje Urban Senica, který byl v té době Ph.D. student ETH Zurich, ale nyní je postdoktorandem v Laboratoři Harvardské univerzity pro nanoškálovou optiku. "Pomocí fotolitografie a suchého leptání je definován aktivní hřebenový vlnovod a následně planarizován nízkoztrátovým polymerem benzocyklobutenem (BCB). Vlnovod je vertikálně vložen mezi dvě rozšířené metalizační vrstvy, které omezují optický a mikrovlnný režim a fungují jako elektrické kontakty pro předpětí laserového zařízení."
Tato konfigurace má za následek nízké ztráty při šíření, snižuje chromatickou disperzi, zvyšuje rozptyl tepla a zlepšuje mikrovlnné vlastnosti, protože laser je zabudován do mikrovlnného vlnovodu s nízkou -ztrátou a nízkou{1}} impedancí.
Aktivní zamykání režimu
Metoda týmu je založena na aktivním zablokování režimu, které zahrnuje modulaci předpětí laseru prostřednictvím externího elektrického signálu, aby se vytvořil sled koherentních krátkých optických pulzů (frekvenční hřeben). V předchozích ukázkách to fungovalo pouze v případě, že frekvence modulačního signálu byla synchronizována s dobou, kterou světlo potřebuje, aby se pohybovalo mezi dvěma zrcadly laseru (je stanoveno rozměry fyzické dutiny).
„Předvedli jsme zcela nový režim, ve kterém dokážeme plynule a široce vyladit frekvenci opakování pulsu až o 400 %,“ říká Senica. "Této mimořádné laditelnosti je dosaženo vytvořením stojaté mikrovlnné oscilace podél celé dutiny laseru, což má za následek efekt tahu pulzu, který zrychluje nebo zpomaluje optický pulz, aby byl vždy synchronizován s frekvencí vnější modulace."
Ovládání rychlosti-optických pulzů na čipu pomocí mikrovln
Jedním z nejúžasnějších aspektů této práce je „v podstatě můžeme ovládat rychlost optických pulsů na fotonickém čipu pomocí mikrovln,“ říká Senica. "V jednoduché analogii je to podobné vodní vlně, která tlačí surfaře kupředu. Technickěji řečeno, mezi mikrovlnným a optickým pulzem je frekvenčně{2}}závislý fázový posun a výsledný gradient zisku/ztráty má za následek upravenou skupinovou rychlost optického pulzu tak, aby nová opakovací frekvence odpovídala externí mikrovlnné frekvenci. Přelomovým okamžikem bylo, když jsme byli schopni plně porozumět tomuto procesu a simulaci výsledků."
Celý tento projekt je vyvrcholením několika let velkého technického a vědeckého pokroku, včetně návrhu a růstu epitaxe molekulárního paprsku aktivní oblasti širokopásmového laseru; simulace, výroba a charakterizace planarizovaných THz QCL; a rozsáhlé analytické a numerické simulace modulované laserové dutiny.
Klíčovou součástí práce týmu byly pokročilé simulace jejich zařízení. "Naši spolupracovníci na TU Mnichov v Německu vyvinuli nový simulační přístup pro modelování celé modulované laserové dutiny," říká Senica. "To zahrnuje modelování kvantového systému laseru, šíření mikrovln a generování optických pulsů-kombinující tři různé domény v rámci jedné simulační studie, přesně reprodukující experimentální výsledky a poskytující zásadní poznatky o dynamice laseru."
Komunikace, spektroskopie a aplikace snímání před námi
Díky jejich kontinuálně a široce laditelným laserům s uzamčeným módem existuje mnoho potenciálních aplikací pro komunikaci, spektroskopii a snímání. "Pro časovou doménu může být sled koherentních pulzů synchronizován s libovolným externím mikrovlnným signálem nebo laditelným zpožďovacím vedením," říká Senica. "Pro frekvenční doménu může rozteč laditelných režimů v rámci frekvenčního hřebenu uzavřít jakékoli spektrální mezery."
Senica a kolegové již ve skutečnosti předvedli experiment s absorpční spektroskopií, který vyžadoval pouze jednoduchý detektor intenzity-namísto stolního- spektrometru velikosti.
"Věříme, že náš přístup bude také relativně přímočarý k implementaci s jinými typy polovodičových laserů v infračervené a viditelné oblasti elektromagnetického spektra a připraví cestu pro širokou škálu aplikací," říká Senica. "Důležitým aspektem budou optimalizované mikrovlnné vlastnosti spolu s pokročilým balením takových zařízení."
