I et avvik fra standard modellocking-tilnærminger, skapte et team av forskere ledet av professorene Giacomo Scalari og Jerome Faist ved Institutt for fysikk ved ETH Zürich, og professor Christian Jirauschek ved det tekniske universitetet i München, en monolittisk modelllåst halvlederlaser med en kontinuerlig og bredt justerbar repetisjonshastighet fra 16 GHz. Og interessant nok burde deres tilnærming fungere for andre halvlederlasere og laseremisjonsbølgelengder.
For å få det av, brukte forskerne en terahertz (THz) kvantekaskadelaser (QCL) for å produsere koherente frekvenskammer. Selv om det er velkjent at THz QCL-er kan brukes til å generere kammer, oppmuntret teamets nylige utvikling av planariserte THz QCL-er med forbedrede mikrobølgeegenskaper dem til å utforske den sterke moduleringen av laserhulrommet ved hjelp av eksterne mikrobølger,-og de oppdaget flere nye regimer for drift av halvlederlaser.
"Our device is based on a planarized THz QCL. Its active region material consists of a gallium arsenide (GaAs)/aluminum gallium arsenide (AlGaAs) superlattice, wafer-bonded to a GaAs carrier substrate," explains Urban Senica, who at the time was a Ph.D. student at ETH Zurich but is now a postdoctoral fellow at Harvard University's Laboratory for Nanoscale Optics. "By using photolithography and dry etching, an active ridge waveguide is defined and subsequently planarized with the low-loss polymer benzocyclobutene (BCB). A waveguide is sandwiched vertically between two extended metallization layers, which confine the optical and microwave modes and act as electrical contacts for biasing the laser device."
For å få det av, brukte forskerne en terahertz (THz) kvantekaskadelaser (QCL) for å produsere koherente frekvenskammer. Selv om det er velkjent at THz QCL-er kan brukes til å generere kammer, oppmuntret teamets nylige utvikling av planariserte THz QCL-er med forbedrede mikrobølgeegenskaper dem til å utforske den sterke moduleringen av laserhulrommet ved hjelp av eksterne mikrobølger,-og de oppdaget flere nye regimer for drift av halvlederlaser.
"Enheten vår er basert på en planarisert THz QCL. Materialet i det aktive området består av et galliumarsenid (GaAs)/aluminium galliumarsenid (AlGaAs) supergitter, wafer-bundet til et GaAs-bærersubstrat," forklarer Urban Senica, som på den tiden var Ph.D. student ved ETH Zürich, men er nå postdoktor ved Harvard University's Laboratory for Nanoscale Optics. "Ved å bruke fotolitografi og tørretsing blir en aktiv bølgeleder definert og deretter planarisert med lav-tapspolymeren benzocyklobuten (BCB). En bølgeleder er plassert vertikalt mellom to utvidede metalliseringslag, som begrenser den optiske og mikrobølgemodusen og fungerer som elektriske kontakter for forspenning av laserenheten."
Kommunikasjons-, spektroskopi- og sensingapplikasjoner fremover
Takket være deres kontinuerlig og bredt avstembare modelllåste lasere, er det mange potensielle bruksområder for kommunikasjon, spektroskopi og sensing. "For tidsdomenet kan det koherente pulstoget synkroniseres til et vilkårlig eksternt mikrobølgesignal eller avstembar forsinkelseslinje," sier Senica. "For frekvensdomenet kan den avstembare modusavstanden i frekvenskammen lukke alle spektrale gap."
Faktisk har Senica og kollegene allerede demonstrert et absorpsjonsspektroskopi-eksperiment som bare krevde en enkel intensitetsdetektor-i stedet for et spektrometerinstrument på bordplate-.
"Vi tror at vår tilnærming også vil være relativt enkel å implementere med andre typer halvlederlasere på tvers av de infrarøde og synlige områdene av det elektromagnetiske spekteret og bane vei for en lang rekke bruksområder," sier Senica. "Et viktig aspekt vil være optimaliserte mikrobølgeegenskaper, sammen med avansert pakking av slike enheter."
