U odstupanju od standardnih pristupa zaključavanju modela, tim istraživača predvođen profesorima Giacomom Scalarijem i Jeromeom Faistom na Odsjeku za fiziku na ETH Zurich i profesorom Christianom Jirauschekom na Tehničkom sveučilištu u Münchenu, stvorio je monolitni poluvodički laser s zaključanim modelom s kontinuirano i široko podesivom brzinom ponavljanja od 4 do 16 GHz. I, što je intrigantno, njihov bi pristup trebao funkcionirati za druge poluvodičke lasere i valne duljine laserske emisije.
Kako bi to uspjeli, istraživači su koristili teraherc (THz) kvantni kaskadni laser (QCL) za proizvodnju koherentnih frekvencijskih češljeva. Iako je dobro poznato da se THz QCL-ovi mogu koristiti za generiranje češljeva, nedavni razvoj planariziranih THz QCL-ova s poboljšanim mikrovalnim svojstvima potaknuo ih je na istraživanje snažne modulacije laserske šupljine pomoću vanjskih mikrovalova-i otkrili su nekoliko novih režima rada poluvodičkog lasera.
"Naš uređaj temelji se na planariziranom THz QCL-u. Njegov materijal aktivne regije sastoji se od superrešetke galij arsenida (GaAs)/aluminij galij arsenida (AlGaAs), pločice-povezane s nosivim supstratom GaAs", objašnjava Urban Senica, koji je u to vrijeme bio doktor znanosti. student na ETH u Zürichu, ali sada je postdoktorand u Laboratoriju za nanoskalnu optiku Sveučilišta Harvard. "Upotrebom fotolitografije i suhog jetkanja definiran je valovod aktivnog grebena koji se zatim planarizira s polimerom benzociklobutena s niskim-gubicima (BCB). Valovod je postavljen okomito između dva proširena metalizacijska sloja, koji ograničavaju optičke i mikrovalne modove i djeluju kao električni kontakti za prednaprezanje laserskog uređaja."
Ova konfiguracija rezultira malim gubicima širenja, smanjuje kromatsku disperziju, povećava rasipanje topline i poboljšava mikrovalna svojstva jer je laser ugrađen unutar mikrovalnog valovoda niske-impedancije.
Aktivno zaključavanje modela
Metoda tima temelji se na aktivnom zaključavanju modela, što uključuje moduliranje prednapona lasera putem vanjskog električnog signala za generiranje niza koherentnih kratkih optičkih impulsa (frekvencijski češalj). U prethodnim demonstracijama ovo je funkcioniralo samo ako je frekvencija modulacijskog signala bila sinkronizirana s vremenom koje je potrebno svjetlu da putuje između dva zrcala lasera (fiksirano je dimenzijama fizičke šupljine).
"Demonstrirali smo potpuno novi režim, u kojem možemo kontinuirano i široko podešavati frekvenciju ponavljanja pulsnog niza za čak 400%", kaže Senica. "Ova izvanredna podesivost postiže se formiranjem stalne mikrovalne oscilacije duž cijele laserske šupljine, što rezultira efektom povlačenja pulsa koji ubrzava ili usporava optički puls kako bi uvijek bio sinkroniziran s vanjskom frekvencijom modulacije."
Upravljanje brzinom-optičkih impulsa na čipu putem mikrovalova
Jedan od najboljih aspekata ovog rada je "mikrovalovima možemo kontrolirati brzinu optičkih impulsa na fotonskom čipu", kaže Senica. "U jednostavnoj analogiji, to je slično vodenom valu koji gura surfera naprijed. Tehnički rečeno, postoji-fazni pomak između mikrovalnog i optičkog pulsa ovisan o frekvenciji, a rezultirajući gradijent pojačanja/gubitka rezultira modificiranom grupnom brzinom optičkog pulsa tako da nova stopa ponavljanja odgovara vanjskoj mikrovalnoj frekvenciji. Prijelomni trenutak bio je kada smo uspjeli u potpunosti razumjeti ovaj proces, uz dobro slaganje između eksperimentalnih i rezultate simulacije."
Cijeli ovaj projekt kulminacija je nekoliko godina velikog tehničkog i znanstvenog napretka, uključujući dizajn i epitaksijski rast molekularne zrake aktivnog područja širokopojasnog lasera; simulacija, izrada i karakterizacija planariziranih THz QCL-ova; i opsežne analitičke i numeričke simulacije modulirane laserske šupljine.
Ključni dio rada tima uključivao je napredne simulacije njihovih uređaja. "Konkretno, naši suradnici na TU Münchenu u Njemačkoj razvili su novi simulacijski pristup za modeliranje cijele modulirane laserske šupljine", kaže Senica. "To uključuje modeliranje kvantnog sustava lasera, širenje mikrovalova i generiranje optičkih impulsa-kombinirajući tri različite domene unutar jedne simulacijske studije, točnu reprodukciju eksperimentalnih rezultata i pružanje ključnih uvida u dinamiku lasera."
Primjene komunikacija, spektroskopije i senzora su pred nama
Zahvaljujući njihovim kontinuirano i široko podesivim laserima s zaključanim modom, postoje mnoge potencijalne primjene za komunikacije, spektroskopiju i senzore. "Za vremensku domenu, koherentni niz impulsa može se sinkronizirati s proizvoljnim vanjskim mikrovalnim signalom ili podesivom linijom kašnjenja", kaže Senica. "Za frekvencijsku domenu, podesivi razmak modova unutar frekvencijskog češlja može zatvoriti sve spektralne praznine."
Zapravo, Senica i kolege već su demonstrirali eksperiment apsorpcijske spektroskopije koji je zahtijevao samo jednostavan detektor intenziteta-a ne instrument spektrometra-veličine stola.
"Vjerujemo da će naš pristup također biti relativno jednostavan za implementaciju s drugim vrstama poluvodičkih lasera u infracrvenom i vidljivom području elektromagnetskog spektra i utrti put širokom spektru primjena", kaže Senica. "Važan aspekt bit će optimizirana mikrovalna svojstva, zajedno s naprednim pakiranjem takvih uređaja."
