Відійшовши від стандартних підходів до блокування моделей, команда дослідників під керівництвом професорів Джакомо Скаларі та Джерома Файста з кафедри фізики ETH Цюріха та професора Крістіана Їраушека з Мюнхенського технічного університету створила монолітний напівпровідниковий лазер із синхронізованим моделюванням із безперервною та широко регульованою частотою повторення від 4 до 16 ГГц. І, що інтригує, їхній підхід повинен працювати для інших напівпровідникових лазерів і довжин хвиль лазерного випромінювання.
Щоб це зробити, дослідники використовували терагерцовий (ТГц) квантовий каскадний лазер (QCL) для створення когерентних частотних гребінок. Хоча добре відомо, що THz QCL можна використовувати для генерування гребінок, нещодавня розробка команди планаризованих THz QCL із покращеними мікрохвильовими властивостями спонукала їх досліджувати сильну модуляцію лазерного резонатора за допомогою зовнішніх мікрохвиль-і вони відкрили кілька нових режимів роботи напівпровідникового лазера.
«Наш пристрій базується на планаризованому ТГц QCL. Його матеріал активної області складається з надрешітки арсеніду галію (GaAs)/арсеніду галію алюмінію (AlGaAs), пластини-з’єднаної з несучою підкладкою GaAs», — пояснює Урбан Сеніка, який на той час був доктором філософії. студент вищої технічної школи Цюріха, але зараз є докторантом у лабораторії нанорозмірної оптики Гарвардського університету. «За допомогою фотолітографії та сухого травлення формується активний гребневий хвилевід, який потім планаризується полімерним бензоциклобутеном із низькими -втратами (BCB). Хвилевід розміщено вертикально між двома розширеними шарами металізації, які обмежують оптичні та мікрохвильові моди та діють як електричні контакти для зміщення лазерного пристрою».
Ця конфігурація забезпечує низькі втрати при розповсюдженні, зменшує хроматичну дисперсію, збільшує розсіювання тепла та покращує мікрохвильові властивості, оскільки лазер вбудовано в мікрохвильовий хвилевід із низькими-втратами та низьким{1}}імпедансом.
Активне блокування моделі
Метод команди заснований на активному блокуванні моделі, який передбачає модуляцію напруги зміщення лазера за допомогою зовнішнього електричного сигналу для генерації серії когерентних коротких оптичних імпульсів (частотний гребінець). У попередніх демонстраціях це працювало, лише якщо частота сигналу модуляції була синхронізована з часом, який потрібен світлу для проходження між двома дзеркалами лазера (це фіксується фізичними розмірами порожнини).
«Ми продемонстрували абсолютно новий режим, у якому ми можемо безперервно та широко регулювати частоту повторення серії імпульсів на цілих 400%», — каже Сеніца. «Ця надзвичайна настроюваність досягається шляхом формування стоячого мікрохвильового коливання вздовж усієї порожнини лазера, що призводить до ефекту затягування імпульсу, який прискорює або сповільнює оптичний імпульс, щоб він завжди був синхронізований із зовнішньою частотою модуляції».
Керування швидкістю-оптичних імпульсів на чіпі за допомогою мікрохвиль
«Один із найкрутіших аспектів цієї роботи полягає в тому, що «ми можемо фактично контролювати швидкість оптичних імпульсів на фотонному чіпі за допомогою мікрохвиль», — каже Сеніка. «У простій аналогії це схоже на водну хвилю, що штовхає серфінгіста вперед. У більш технічних термінах існує -залежний від частоти зсув фази між мікрохвильовим і оптичним імпульсом, і результуючий градієнт підсилення/втрати призводить до модифікованої групової швидкості оптичного імпульсу, щоб нова частота повторення відповідала зовнішній мікрохвильовій частоті. Переломним моментом став момент, коли ми змогли повністю зрозуміти цей процес із хорошою згодою між експериментальними і результати моделювання».
Весь цей проект є кульмінацією кількох років серйозних технічних і наукових досягнень, включаючи дизайн і молекулярно-променеве епітаксічне зростання широкосмугової лазерної активної області; моделювання, виготовлення та характеристика планаризованих THz QCL; а також широке аналітичне та чисельне моделювання модульованого лазерного резонатора.
Ключова частина роботи команди включала вдосконалене моделювання їхніх пристроїв. «Зокрема, наші співробітники з Мюнхенського технічного університету в Німеччині розробили новий підхід моделювання для моделювання всієї модульованої лазерної порожнини», — говорить Сеніца. «Це включає моделювання квантової системи лазера, поширення мікрохвиль і генерацію оптичного імпульсу-, що поєднує три різні домени в одному дослідженні моделювання, точно відтворюючи експериментальні результати та надаючи важливе розуміння динаміки лазера».
Попереду програми зв’язку, спектроскопії та зондування
Завдяки безперервним і широкорегульованим лазерам із синхронізованим режимом існує багато потенційних застосувань для зв’язку, спектроскопії та зондування. «Для часової області когерентну серію імпульсів можна синхронізувати з довільним зовнішнім мікрохвильовим сигналом або регульованою лінією затримки», — говорить Сеніца. «Для частотної області регульований інтервал між модами в межах частотної гребінки може закрити будь-які спектральні проміжки».
Насправді Сеніка та його колеги вже продемонстрували експеримент із спектроскопії поглинання, для якого потрібен був лише простий детектор інтенсивності-а не настільний-спектрометр.
«Ми вважаємо, що наш підхід також буде відносно простим для реалізації з іншими типами напівпровідникових лазерів у інфрачервоному та видимому діапазоні електромагнітного спектру, що відкриває шлях для широкого спектру застосувань», — говорить Сеніка. «Важливим аспектом стануть оптимізовані мікрохвильові властивості разом із вдосконаленою упаковкою таких пристроїв».
