Odchodząc od standardowych podejść do blokowania modeli, zespół badaczy kierowany przez profesorów Giacomo Scalariego i Jerome'a Faista z Wydziału Fizyki ETH w Zurychu oraz profesora Christiana Jirauscheka z Politechniki w Monachium stworzył monolityczny laser półprzewodnikowy z blokowanym modelem o stale i szeroko przestrajalnej częstotliwości powtarzania od 4 do 16 GHz. Co ciekawe, ich podejście powinno sprawdzić się w przypadku innych laserów półprzewodnikowych i innych długości fal emisji lasera.
Aby tego dokonać, badacze wykorzystali terahercowy (THz) kwantowy laser kaskadowy (QCL) do wytworzenia spójnych grzebieni częstotliwości. Chociaż powszechnie wiadomo, że do wytwarzania grzebieni można używać technologii THz QCL, niedawny rozwój planaryzowanych technologii THz QCL o ulepszonych właściwościach mikrofalowych zachęcił ich do zbadania silnej modulacji wnęki lasera przy użyciu zewnętrznych mikrofal-i odkrył kilka nowatorskich sposobów działania lasera półprzewodnikowego.
„Nasze urządzenie opiera się na planaryzowanej technologii THz QCL. Materiał obszaru aktywnego składa się z supersieci arsenku galu (GaAs)/arsenku glinu i galu (AlGaAs), płytki-połączonej z podłożem nośnym GaAs” – wyjaśnia Urban Senica, wówczas doktorant. student ETH Zurich, ale obecnie odbywa staż podoktorski w Laboratorium Optyki Nanoskali Uniwersytetu Harvarda. „Dzięki fotolitografii i trawieniu na sucho definiuje się aktywny falowód grzbietowy, a następnie planaryzuje go za pomocą nisko-polimeru benzocyklobutenu (BCB). Falowód jest umieszczony pionowo pomiędzy dwiema rozszerzonymi warstwami metalizacji, które ograniczają modę optyczną i mikrofalową oraz działają jak styki elektryczne polaryzujące urządzenie laserowe”.
Taka konfiguracja powoduje niskie straty propagacyjne, zmniejsza dyspersję chromatyczną, zwiększa rozpraszanie ciepła i poprawia właściwości mikrofalowe, ponieważ laser jest osadzony w falowodzie mikrofalowym o niskich-stratach i niskiej-impedancji.
Aktywne blokowanie modelu
Metoda opracowana przez zespół opiera się na aktywnym blokowaniu modeli, które polega na modulowaniu napięcia polaryzacji lasera za pomocą zewnętrznego sygnału elektrycznego w celu wygenerowania ciągu spójnych krótkich impulsów optycznych (grzebienia częstotliwości). W poprzednich demonstracjach działało to tylko wtedy, gdy częstotliwość sygnału modulującego była zsynchronizowana z czasem potrzebnym światłu na podróż między dwoma zwierciadłami lasera (jest on ustalany na podstawie wymiarów fizycznej wnęki).
„Zademonstrowaliśmy całkowicie nowatorski system, w którym możemy w sposób ciągły i szeroko dostrajać częstotliwość powtarzania ciągu impulsów aż o 400%” – mówi Senica. „Tę niezwykłą przestrajalność osiąga się poprzez utworzenie stojącej oscylacji mikrofalowej wzdłuż całej wnęki lasera, co skutkuje efektem ciągnięcia impulsu, który przyspiesza lub spowalnia impuls optyczny, aby zawsze był zsynchronizowany z częstotliwością modulacji zewnętrznej”.
Sterowanie szybkością impulsów optycznych w-chipach za pomocą mikrofal
Jednym z najciekawszych aspektów tej pracy jest to, że „możemy zasadniczo kontrolować prędkość impulsów optycznych w chipie fotonicznym za pomocą mikrofal” – mówi Senica. „W prostej analogii przypomina to falę wodną popychającą surfera do przodu. Mówiąc bardziej technicznie, istnieje zależne od częstotliwości-przesunięcie fazowe między mikrofalą a impulsem optycznym, a wynikający z tego gradient wzmocnienia/straty skutkuje zmodyfikowaną prędkością grupową impulsu optycznego, tak że nowa częstotliwość powtarzania odpowiada częstotliwości zewnętrznej mikrofal. Przełomowym momentem był moment, gdy udało nam się w pełni zrozumieć ten proces, przy dobrej zgodności między wynikami eksperymentalnymi i symulacyjnymi”.
Cały projekt stanowi kulminację kilkuletnich znaczących postępów technicznych i naukowych, w tym projektowania i wzrostu epitaksji z wiązek molekularnych aktywnego obszaru lasera szerokopasmowego; symulacja, wytwarzanie i charakterystyka planaryzowanych QCL THz; oraz obszerne symulacje analityczne i numeryczne modulowanej wnęki lasera.
Kluczową częścią pracy zespołu były zaawansowane symulacje urządzeń. „W szczególności nasi współpracownicy z TU Monachium w Niemczech opracowali nowe podejście symulacyjne do modelowania całej modulowanej wnęki lasera” – mówi Senica. „Obejmuje to modelowanie układu kwantowego lasera, propagację mikrofal i generowanie impulsów optycznych-połączenie trzech różnych dziedzin w ramach jednego badania symulacyjnego, co dokładnie odtwarza wyniki eksperymentów i zapewnia kluczowy wgląd w dynamikę lasera”.
Nadchodzą zastosowania w zakresie komunikacji, spektroskopii i wykrywania
Dzięki stale i szeroko przestrajalnym laserom z blokowanymi modelami istnieje wiele potencjalnych zastosowań w komunikacji, spektroskopii i wykrywaniu. „W dziedzinie czasu spójny ciąg impulsów można zsynchronizować z dowolnym zewnętrznym sygnałem mikrofalowym lub przestrajalną linią opóźniającą” – mówi Senica. „W dziedzinie częstotliwości odstępy między modami przestrajalnymi w grzebieniu częstotliwości mogą zamknąć wszelkie luki widmowe”.
W rzeczywistości Senica i współpracownicy zademonstrowali już eksperyment ze spektroskopią absorpcyjną, który wymagał jedynie prostego detektora intensywności-a nie spektrometru- wielkości blatu.
„Wierzymy, że nasze podejście będzie stosunkowo proste do wdrożenia w przypadku innych typów laserów półprzewodnikowych w zakresie podczerwieni i światła widzialnego widma elektromagnetycznego i utoruje drogę dla szerokiej gamy zastosowań” – mówi Senica. „Ważnym aspektem będą zoptymalizowane właściwości mikrofalowe wraz z zaawansowanym opakowaniem tego typu urządzeń.”
