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. Bár köztudott, hogy a THz-es QCL-eket fésűk előállítására lehet használni, a csapat nemrégiben kifejlesztett, továbbfejlesztett mikrohullámú tulajdonságokkal rendelkező, planarizált THz-es QCL-eket arra ösztönözte őket, hogy felfedezzék a lézerüreg erős modulációját külső mikrohullámok segítségével,{1}}és felfedezték a félvezető lézerműködés számos új rezsimjét.
"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 egy asztali-méretű spektrométerre.
"Úgy gondoljuk, hogy megközelítésünk más típusú félvezető lézerekkel is viszonylag egyszerű lesz az elektromágneses spektrum infravörös és látható tartományában, és utat nyit az alkalmazások széles skálájának" - mondja Senica. "Fontos szempont lesz az optimalizált mikrohullámú tulajdonságok, valamint az ilyen eszközök fejlett csomagolása."
