I en afvigelse fra standard modellocking-tilgange skabte et team af forskere ledet af professorerne Giacomo Scalari og Jerome Faist i Institut for Fysik ved ETH Zürich og professor Christian Jirauschek ved det tekniske universitet i München en monolitisk modellåst halvlederlaser med en kontinuerlig og bredt indstillelig gentagelseshastighed fra 16 GHz til 4 GHz. Og interessant nok burde deres tilgang fungere for andre halvlederlasere og laseremissionsbølgelængder.
For at klare det brugte forskerne en terahertz (THz) kvantekaskadelaser (QCL) til at producere kohærente frekvenskamme. Selvom det er velkendt, at THz QCL'er kan bruges til at generere kamme, opmuntrede holdets seneste udvikling af planariserede THz QCL'er med forbedrede mikrobølgeegenskaber dem til at udforske den stærke modulering af laserhulrummet ved hjælp af eksterne mikrobølger,-og de opdagede adskillige nye regimer for halvlederlaserdrift.
"Vores enhed er baseret på en planariseret THz QCL. Dens aktive områdemateriale består af et galliumarsenid (GaAs)/aluminium galliumarsenid (AlGaAs) supergitter, wafer-bundet til et GaAs-bærersubstrat," forklarer Urban Senica, som på det tidspunkt var ph.d. studerende ved ETH Zürich, men er nu postdoc ved Harvard University's Laboratory for Nanoscale Optics. "Ved at bruge fotolitografi og tørætsning defineres en aktiv ridge-bølgeleder og planariseres efterfølgende med lav-tabspolymeren benzocyclobuten (BCB). En bølgeleder er klemt lodret mellem to udvidede metalliseringslag, som begrænser de optiske og mikrobølgetilstande og fungerer som elektriske kontakter til forspænding af laserenheden."
Denne konfiguration resulterer i lave udbredelsestab, reducerer kromatisk spredning, øger varmeafgivelsen og forbedrer mikrobølgeegenskaber, fordi laseren er indlejret i en mikrobølgeleder med lav-tab og lav-impedans.
Aktiv modellocking
Holdets metode er baseret på aktiv modellocking, som involverer modulering af laserens biasspænding via et eksternt elektrisk signal for at generere et tog af sammenhængende korte optiske impulser (en frekvenskam). I tidligere demonstrationer virkede dette kun, hvis frekvensen af modulationssignalet var synkroniseret med den tid, det tager lys at rejse mellem laserens to spejle (det er fastsat af de fysiske hulrumsdimensioner).
"Vi demonstrerede et helt nyt regime, hvor vi kontinuerligt og bredt kan justere pulstogets gentagelsesfrekvens med så meget som 400%," siger Senica. "Denne ekstraordinære tunability opnås ved at danne en stående mikrobølgeoscillation langs hele laserhulrummet, hvilket resulterer i en pulstrækeffekt, der fremskynder eller sænker den optiske puls for altid at være synkroniseret med den eksterne modulationsfrekvens."
Styring af hastigheden af optiske impulser på-chip via mikrobølger
Et af de fedeste aspekter af dette arbejde er "vi kan i det væsentlige kontrollere hastigheden af optiske impulser på en fotonisk chip med mikrobølger," siger Senica. "I en simpel analogi ligner det en vandbølge, der skubber en surfer fremad. Mere teknisk set er der et frekvens-afhængigt faseskift mellem mikrobølgen og den optiske puls, og den resulterende forstærknings-/tabsgradient resulterer i en modificeret gruppehastighed af den optiske puls, så den nye gentagelseshastighed matcher det eksterne mikrobølge-moment, da vi fuldt ud kunne forstå frekvensen med en god frekvens. overensstemmelse mellem forsøgs- og simuleringsresultaterne."
Hele dette projekt er en kulmination på flere års store tekniske og videnskabelige fremskridt, herunder design og molekylær stråleepitaxi-vækst i den bredbåndslaseraktive region; simulering, fremstilling og karakterisering af planariserede THz QCL'er; og omfattende analytiske og numeriske simuleringer af det modulerede laserhulrum.
En vigtig del af teamets arbejde involverede avancerede simuleringer af deres enheder. "Isærligt udviklede vores samarbejdspartnere ved TU München i Tyskland en ny simuleringstilgang til modellering af hele det modulerede laserhulrum," siger Senica. "Dette inkluderer modellering af laserens kvantesystem, mikrobølgeudbredelsen og den optiske pulsgenerering-, der kombinerer tre forskellige domæner inden for et enkelt simuleringsstudie, nøjagtig gengivelse af de eksperimentelle resultater og giver afgørende indsigt i laserdynamikken."
Kommunikation, spektroskopi og sensing applikationer forude
Takket være deres kontinuerligt og bredt tunerbare modellåste lasere er der mange potentielle anvendelser til kommunikation, spektroskopi og sensing. "For tidsdomænet kan det kohærente pulstog synkroniseres til et vilkårligt eksternt mikrobølgesignal eller afstembar forsinkelseslinje," siger Senica. "For frekvensdomænet kan den indstillelige tilstandsafstand inden for frekvenskammen lukke alle spektrale huller."
Faktisk har Senica og kolleger allerede demonstreret et absorptionsspektroskopi-eksperiment, der kun krævede en simpel intensitetsdetektor-i stedet for et spektrometerinstrument på bordplade-størrelse.
"Vi mener, at vores tilgang også vil være relativt ligetil at implementere med andre typer halvlederlasere på tværs af de infrarøde og synlige områder af det elektromagnetiske spektrum og bane vejen for en lang række anvendelser," siger Senica. "Et vigtigt aspekt vil være optimerede mikrobølgeegenskaber sammen med avanceret emballering af sådanne enheder."
