A standard modellezési megközelítésektől eltérve Giacomo Scalari és Jerome Faist professzorok, az ETH Zürich Fizikai Tanszékén, valamint Christian Jirauschek professzor, a Müncheni Műszaki Egyetem professzora vezetésével egy monolitikus, modemzárt félvezető GH lézert hozott létre folyamatosan és széles körben hangolható 4-től 16-ig terjedő ismétlési sebességgel. És érdekes módon megközelítésüknek más félvezető lézereknél és lézeremissziós hullámhosszoknál is működnie kell.
Ennek leküzdésére a kutatók terahertzes (THz) kvantumkaszkádlézert (QCL) használtak koherens frekvenciájú fésűk előállítására. Jóllehet köztudott, hogy a THz-es QCL-eket fésűk előállítására lehet használni, a csapat nemrégiben kifejlesztett, továbbfejlesztett mikrohullámú tulajdonságokkal rendelkező planarizált THz-es QCL-jei arra ösztönözték őket, hogy felfedezzék a lézerüreg erős modulációját külső mikrohullámok segítségével,{1}}és felfedezték a félvezető lézerműködés számos új rendszerét.
"Eszközünk egy planarizált THz-es QCL-en alapul. Aktív régiójának anyaga gallium-arzenid (GaAs)/alumínium-gallium-arzenid (AlGaAs) szuperrácsból áll, amely egy GaAs hordozóhordozóhoz kötődő ostya{1}}" - magyarázza Urban Senica, aki akkoriban Ph.D. az ETH Zürich hallgatója, de jelenleg posztdoktori ösztöndíjas a Harvard Egyetem Nanoscale Optics Laboratóriumában. "Fotolitográfia és szárazmaratással egy aktív gerinchullámvezetőt határoznak meg, majd az alacsony -veszteségű polimer benzociklobuténnel (BCB) planarizálnak. Egy hullámvezető függőlegesen van elhelyezve két kiterjesztett fémezési réteg között, amelyek korlátozzák az optikai és mikrohullámú módokat, és elektromos érintkezőkként működnek a lézereszköz előfeszítéséhez."
Ez a konfiguráció alacsony terjedési veszteségeket eredményez, csökkenti a kromatikus diszperziót, növeli a hőleadást, és javítja a mikrohullámú tulajdonságokat, mivel a lézer egy alacsony -veszteségű, kis{1}}impedanciájú mikrohullámú hullámvezetőbe van ágyazva.
Aktív modellzárás
A csapat módszere az aktív modellzáráson alapul, amely magában foglalja a lézer előfeszítő feszültségének külső elektromos jellel történő modulálását, hogy koherens rövid optikai impulzusok sorozatát (frekvenciás fésű) állítsák elő. A korábbi demonstrációkban ez csak akkor működött, ha a modulációs jel frekvenciáját szinkronizálták azzal az idővel, amely alatt a fény a lézer két tükre között halad (ezt a fizikai üreg méretei rögzítik).
"Egy teljesen új rezsimet mutattunk be, amelyben folyamatosan és széles körben hangolhatjuk az impulzussorozat ismétlési frekvenciáját akár 400%-kal is" - mondja Senica. "Ez a rendkívüli hangolhatóság úgy érhető el, hogy a teljes lézerüreg mentén álló mikrohullámú oszcillációt alakítanak ki, amely impulzushúzó hatást eredményez, amely felgyorsítja vagy lelassítja az optikai impulzust, hogy mindig szinkronizálva legyen a külső modulációs frekvenciával."
Az on{0}}chip optikai impulzusok sebességének szabályozása mikrohullámokon keresztül
Ennek a munkának az egyik legmenőbb aspektusa, hogy "lényegében mikrohullámokkal tudjuk szabályozni az optikai impulzusok sebességét egy fotonikus chipen" - mondja Senica. "Egyszerű analógiával ez hasonlít egy vízhullámhoz, amely előrenyomja a szörföst. Technikai értelemben frekvenciafüggő fáziseltolódás van a mikrohullámú és az optikai impulzus között, és az ebből eredő erősítési/vesztési gradiens az optikai impulzus módosított csoportsebességét eredményezi, így az új ismétlési sebesség megegyezik a külső mikrohullámú frekvencia és a frekvencia közötti egyezéssel. Egy kísérlet során sikerült teljesen megértenünk a kísérletet, amikor meg tudtuk érteni a jó áttörési pillanatot. szimulációs eredmények."
Ez az egész projekt több éves jelentős műszaki és tudományos fejlődés csúcspontja, beleértve a szélessávú lézeraktív régió tervezését és molekuláris sugár-epitaxiás növekedését; a planarizált THz-es QCL-ek szimulációja, gyártása és jellemzése; valamint a modulált lézerüreg kiterjedt analitikai és numerikus szimulációi.
A csapat munkájának kulcsfontosságú része az eszközeik fejlett szimulációja volt. "A németországi TU München munkatársai különösen új szimulációs megközelítést fejlesztettek ki a teljes modulált lézerüreg modellezésére" - mondja Senica. "Ebbe beletartozik a lézer kvantumrendszerének, a mikrohullámú terjedésnek és az optikai impulzusgenerálásnak a modellezése,{2}}hogy három különböző tartományt kombináljon egyetlen szimulációs vizsgálaton belül, pontosan reprodukálja a kísérleti eredményeket, és döntő betekintést nyújt a lézer dinamikájába."
Kommunikációs, spektroszkópiai és érzékelő alkalmazások várnak rád
Folyamatosan és széles körben hangolható moderögzített lézereiknek köszönhetően számos lehetséges alkalmazás létezik a kommunikáció, a spektroszkópia és az érzékelés területén. "Az időtartományban a koherens impulzussorozat szinkronizálható egy tetszőleges külső mikrohullámú jelhez vagy hangolható késleltetési vonalhoz" - mondja Senica. "A frekvenciatartomány esetében a frekvenciafésűn belüli hangolható üzemmód-távolság bezárhat minden spektrális rést."
Valójában Senica és munkatársai már bemutattak egy abszorpciós spektroszkópiai kísérletet, amelyhez csak egy egyszerű intenzitásdetektorra volt szükség, nem pedig asztali-méretű spektrométerre.
"Úgy gondoljuk, hogy megközelítésünket viszonylag egyszerű lesz más típusú félvezető lézerekkel is megvalósítani az elektromágneses spektrum infravörös és látható tartományaiban, és megnyitja az utat az alkalmazások széles skálája előtt" - mondja Senica. "Fontos szempont lesz az optimalizált mikrohullámú tulajdonságok, valamint az ilyen eszközök fejlett csomagolása."
