I en 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 halvlederlaserdrift.
"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."
Denne konfigurasjonen resulterer i lave forplantningstap, reduserer kromatisk spredning, øker varmespredningen og forbedrer mikrobølgeegenskapene, fordi laseren er innebygd i en mikrobølgeleder med lav-tap og lav-impedans.
Aktiv modellocking
Teamets metode er basert på aktiv modellocking, som innebærer å modulere laserbiasspenningen via et eksternt elektrisk signal for å generere et tog av koherente korte optiske pulser (en frekvenskam). I tidligere demonstrasjoner fungerte dette bare hvis frekvensen til modulasjonssignalet var synkronisert med tiden det tar lys å reise mellom de to speilene til laseren (det er fikset av de fysiske hulromsdimensjonene).
"Vi demonstrerte et helt nytt regime, der vi kontinuerlig og bredt kan justere repetisjonsfrekvensen til pulstoget med så mye som 400 %," sier Senica. "Denne ekstraordinære avstemmingsevnen oppnås ved å danne en stående mikrobølgeoscillasjon langs hele laserhulrommet, noe som resulterer i en pulstrekkeffekt som øker eller bremser den optiske pulsen for alltid å være synkronisert med den eksterne modulasjonsfrekvensen."
Kontrollerer hastigheten til optiske pulser på-brikken via mikrobølger
En av de kuleste aspektene ved dette arbeidet er "vi kan i hovedsak kontrollere hastigheten til optiske pulser på en fotonisk brikke med mikrobølger," sier Senica. "I en enkel analogi ligner det på en vannbølge som skyver en surfer fremover. I mer tekniske termer er det et frekvens-avhengig faseskifte mellom mikrobølgen og den optiske pulsen, og den resulterende forsterknings-/tapgradienten resulterer i en modifisert gruppehastighet for den optiske pulsen, slik at den nye repetisjonshastigheten samsvarer med det eksterne mikrobølgegjennombruddet var i stand til fullt ut med en god frekvens. samsvar mellom eksperimentelle og simuleringsresultater."
Hele dette prosjektet er en kulminasjon av flere år med store tekniske og vitenskapelige fremskritt, inkludert design og vekst av molekylstråleepitaksi i den bredbåndlaseraktive regionen; simulering, fabrikasjon og karakterisering av planariserte THz QCLer; og omfattende analytiske og numeriske simuleringer av det modulerte laserhulrommet.
En sentral del av teamets arbeid involverte avanserte simuleringer av enhetene deres. "Spesielt utviklet våre samarbeidspartnere ved TU München i Tyskland en ny simuleringstilnærming for modellering av hele det modulerte laserhulrommet," sier Senica. "Dette inkluderer modellering av kvantesystemet til laseren, mikrobølgeutbredelsen og den optiske pulsgenereringen- ved å kombinere tre forskjellige domener i en enkelt simuleringsstudie, nøyaktig reprodusere de eksperimentelle resultatene og gi avgjørende innsikt i laserdynamikken."
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."
