Pe o abatere de la abordările standard de modelare, o echipă de cercetători condusă de profesorii Giacomo Scalari și Jerome Faist de la Departamentul de Fizică de la ETH Zurich și de profesorul Christian Jirauschek de la Universitatea Tehnică din München, a creat un laser semiconductor monolitic modelat cu o rată de repetiție reglabilă continuu și larg de la 4 la 16 GHz. Și, în mod intrigant, abordarea lor ar trebui să funcționeze pentru alte lasere semiconductoare și lungimi de undă de emisie laser.
Pentru a reuși, cercetătorii au folosit un laser cu cascadă cuantică (QCL) cu teraherți (THz) pentru a produce piepteni de frecvență coerenți. Deși este bine cunoscut faptul că QCL-urile THz pot fi folosite pentru a genera piepteni, dezvoltarea recentă a echipei de QCL-uri THz planarizate cu proprietăți îmbunătățite de microunde i-a încurajat să exploreze modularea puternică a cavității laser folosind microunde externe-și au descoperit câteva regimuri noi de funcționare cu laser semiconductor.
„Dispozitivul nostru se bazează pe un QCL THz planar. Materialul din regiunea sa activă constă dintr-o superlatice de arseniură de galiu (GaAs)/arseniură de galiu aluminiu (AlGaAs), wafer-legat la un substrat purtător de GaAs”, explică Urban Senica, care la acea vreme era doctorand. student la ETH Zurich, dar acum este bursier postdoctoral la Laboratorul de optică la scară nanometrică al Universității Harvard. „Prin utilizarea fotolitografiei și a gravării uscate, un ghid de undă activ este definit și ulterior planarizat cu benzociclobutenă polimerică cu pierderi reduse (BCB). Un ghid de undă este intercalat vertical între două straturi extinse de metalizare, care limitează modurile optice și de microunde și acționează ca contacte electrice pentru polarizarea dispozitivului laser.”
Această configurație are ca rezultat pierderi reduse de propagare, reduce dispersia cromatică, crește disiparea căldurii și îmbunătățește proprietățile microundelor, deoarece laserul este încorporat într-un ghid de undă cu microunde cu -pierdere scăzută, cu impedanță redusă-.
Modelare activă
Metoda echipei se bazează pe modeling activ, care implică modularea tensiunii de polarizare a laserului printr-un semnal electric extern pentru a genera un tren de impulsuri optice scurte coerente (un pieptene de frecvență). În demonstrațiile anterioare, acest lucru a funcționat doar dacă frecvența semnalului de modulație a fost sincronizată cu timpul necesar luminii pentru a călători între cele două oglinzi ale laserului (este fixat de dimensiunile cavității fizice).
„Am demonstrat un regim complet nou, în care putem regla în mod continuu și pe scară largă frecvența ratei de repetiție a trenului de impulsuri cu până la 400%”, spune Senica. „Această ajustabilitate extraordinară se realizează prin formarea unei oscilații permanente cu microunde de-a lungul întregii cavități laser, care are ca rezultat un efect de tragere a pulsului care accelerează sau încetinește pulsul optic pentru a fi întotdeauna sincronizat cu frecvența de modulație externă”.
Controlul vitezei impulsurilor optice pe-cip prin microunde
Unul dintre cele mai interesante aspecte ale acestei lucrări este „putem controla în esență viteza impulsurilor optice pe un cip fotonic cu microunde”, spune Senica. „Într-o simplă analogie, este similar cu un val de apă care împinge un surfer înainte. În termeni mai tehnici, există o schimbare de fază-dependentă de frecvență între microunde și pulsul optic, iar gradientul câștig/pierdere rezultat are ca rezultat o viteză de grup modificată a pulsului optic, astfel încât noua rată de repetiție să se potrivească cu frecvența externă a microundelor. rezultatele simulării.”
Acest întreg proiect este o încununare a câțiva ani de progrese tehnice și științifice majore, inclusiv proiectarea și creșterea epitaxiei fasciculului molecular a regiunii active cu laser în bandă largă; simularea, fabricarea și caracterizarea QCL-urilor THz planarizate; și simulări analitice și numerice extinse ale cavității laser modulate.
O parte cheie a muncii echipei a implicat simulări avansate ale dispozitivelor lor. „În special, colaboratorii noștri de la TU München din Germania au dezvoltat o nouă abordare de simulare pentru modelarea întregii cavități laser modulate”, spune Senica. „Aceasta include modelarea sistemului cuantic al laserului, propagarea cu microunde și generarea impulsurilor optice-combinând trei domenii diferite într-un singur studiu de simulare, reproducând cu acuratețe rezultatele experimentale și oferind perspective cruciale asupra dinamicii laserului.”
Comunicații, spectroscopie și aplicații de detectare în viitor
Datorită laserelor lor modelate reglabile în mod continuu și larg, există multe aplicații potențiale pentru comunicații, spectroscopie și detecție. „Pentru domeniul timpului, trenul de impulsuri coerent poate fi sincronizat cu un semnal extern arbitrar de microunde sau cu o linie de întârziere reglabilă”, spune Senica. „Pentru domeniul frecvenței, distanța dintre mod reglabil în pieptene de frecvență poate închide orice goluri spectrale.”
De fapt, Senica și colegii săi au demonstrat deja un experiment de spectroscopie de absorbție care necesita doar un simplu detector de intensitate-mai degrabă decât un instrument de spectrometru de masă-.
„Credem că abordarea noastră va fi, de asemenea, relativ simplă de implementat cu alte tipuri de lasere semiconductoare în regiunile infraroșu și vizibile ale spectrului electromagnetic și va deschide calea pentru o mare varietate de aplicații”, spune Senica. „Un aspect important va fi proprietățile optimizate ale microundelor, împreună cu ambalarea avansată a unor astfel de dispozitive”.
