В отклонение от стандартните подходи за заключване на модела, екип от изследователи, ръководен от професорите Джакомо Скалари и Джером Файст от катедрата по физика в ETH Цюрих, и професор Кристиан Джираушек от Техническия университет в Мюнхен, създаде монолитен полупроводников лазер със заключване на модели с непрекъснато и широко регулируема честота на повторение от 4 до 16 GHz. И, което е интригуващо, техният подход трябва да работи за други полупроводникови лазери и дължини на вълната на лазерното излъчване.
За да го направят, изследователите са използвали терагерцов (THz) квантов каскаден лазер (QCL), за да произведат кохерентни честотни гребени. Въпреки че е добре известно, че THz QCLs могат да се използват за генериране на гребени, скорошната разработка на екипа на планаризирани THz QCLs с подобрени микровълнови свойства ги насърчи да изследват силната модулация на лазерната кухина с помощта на външни микровълни-и откриха няколко нови режима на работа на полупроводников лазер.
„Нашето устройство е базирано на планаризиран THz QCL. Материалът на неговата активна област се състои от свръхрешетка от галиев арсенид (GaAs)/алуминиев галиев арсенид (AlGaAs), пластина-свързана към носеща подложка от GaAs“, обяснява Урбан Сеника, който по това време е бил докторска степен. студент в ETH Цюрих, но сега е постдокторант в Лабораторията за наномащабна оптика на Харвардския университет. „Чрез използване на фотолитография и сухо ецване се дефинира активен ръбест вълновод и впоследствие се планаризира с полимерния бензоциклобутен (BCB) с ниски-загуби. Вълноводът е поставен вертикално между два разширени слоя за метализация, които ограничават оптичните и микровълновите режими и действат като електрически контакти за отклоняване на лазерното устройство.“
Тази конфигурация води до ниски загуби при разпространение, намалява хроматичната дисперсия, увеличава разсейването на топлината и подобрява микровълновите свойства, тъй като лазерът е вграден в микровълнов вълновод с ниски-загуби и нисък-импеданс.
Активно заключване на модела
Методът на екипа се основава на активно моделиране, което включва модулиране на напрежението на лазерно отклонение чрез външен електрически сигнал за генериране на поредица от кохерентни къси оптични импулси (честотен гребен). В предишни демонстрации това работеше само ако честотата на модулационния сигнал беше синхронизирана с времето, необходимо на светлината да премине между двете огледала на лазера (това е фиксирано от размерите на физическата кухина).
„Ние демонстрирахме напълно нов режим, в който можем непрекъснато и широко да настройваме честотата на повторение на импулсния влак с до 400%“, казва Сеница. „Тази изключителна регулируемост се постига чрез формиране на стоящи микровълнови трептения по цялата лазерна кухина, което води до ефект на изтегляне на импулса, който ускорява или забавя оптичния импулс, за да бъде винаги синхронизиран с външната модулационна честота.“
Контролиране на скоростта на-оптичните импулси на чипа чрез микровълни
Един от най-страхотните аспекти на тази работа е, че „можем по същество да контролираме скоростта на оптичните импулси на фотонен чип с микровълни“, казва Сеница. „В проста аналогия, това е подобно на водна вълна, която тласка сърфист напред. В по-технически термини, има честотно-зависимо фазово изместване между микровълновия и оптичния импулс и полученият градиент на печалба/загуба води до модифицирана групова скорост на оптичния импулс, така че новата честота на повторение да съответства на външната микровълнова честота. Моментът на пробив беше, когато успяхме да разберем напълно този процес, с добро съгласие между експерименталните и резултатите от симулацията."
Целият този проект е кулминацията на няколко години голям технически и научен напредък, включително дизайна и епитаксиалния растеж на молекулярния лъч на широколентовия лазерен активен регион; симулацията, производството и характеризирането на планаризирани THz QCL; и обширни аналитични и числени симулации на модулираната лазерна кухина.
Ключова част от работата на екипа включваше усъвършенствани симулации на техните устройства. „По-специално, нашите сътрудници от TU Munich в Германия разработиха нов симулационен подход за моделиране на цялата модулирана лазерна кухина“, казва Senica. „Това включва моделиране на квантовата система на лазера, разпространението на микровълните и генерирането на оптични импулси-комбиниране на три различни домейна в рамките на едно симулационно изследване, точно възпроизвеждане на експерименталните резултати и предоставяне на решаваща представа за динамиката на лазера.“
Предстоят комуникации, спектроскопия и приложения за наблюдение
Благодарение на техните непрекъснато и широко регулируеми лазери със заключен режим има много потенциални приложения за комуникации, спектроскопия и сензори. „За времевата област кохерентният импулсен влак може да бъде синхронизиран с произволен външен микровълнов сигнал или регулируема линия на закъснение“, казва Сеница. „За честотния домейн, регулируемото разстояние на режима в честотния гребен може да затвори всички спектрални пропуски.“
Всъщност Senica и колегите му вече демонстрираха експеримент с абсорбционна спектроскопия, който изискваше само прост детектор за интензитет-вместо настолен-спектрометър с размери.
„Вярваме, че нашият подход също ще бъде относително лесен за прилагане с други видове полупроводникови лазери в инфрачервените и видимите области на електромагнитния спектър и ще проправи пътя за голямо разнообразие от приложения“, казва Сеница. „Важен аспект ще бъдат оптимизираните микровълнови свойства, заедно с усъвършенстваното опаковане на такива устройства.“
