I en avvikelse från standardmodellockningsmetoder skapade ett team av forskare ledda av professorerna Giacomo Scalari och Jerome Faist vid institutionen för fysik vid ETH Zürich, och professor Christian Jirauschek vid Tekniska universitetet i München, en monolitisk modelllåst halvledarlaser med en kontinuerligt och brett inställbar repetitionshastighet från 16 GHz till 4 GHz. Och intressant nog borde deras tillvägagångssätt fungera för andra halvledarlasrar och laseremissionsvåglängder.
För att klara det använde forskarna en terahertz (THz) kvantkaskadlaser (QCL) för att producera koherenta frekvenskammar. Även om det är välkänt att THz QCL kan användas för att generera kammar, uppmuntrade teamets senaste utveckling av planariserade THz QCL med förbättrade mikrovågsegenskaper dem att utforska den starka moduleringen av laserkaviteten med hjälp av externa mikrovågor-och de upptäckte flera nya regimer av halvledarlaserdrift.
"Vår enhet är baserad på en planariserad THz QCL. Dess aktiva områdesmaterial består av ett galliumarsenid (GaAs)/aluminium galliumarsenid (AlGaAs) supergitter, wafer-bunden till ett GaAs-bärarsubstrat", förklarar Urban Senica, som vid den tiden var doktor. student vid ETH Zürich men är nu postdoktor vid Harvard University's Laboratory for Nanoscale Optics. "Genom att använda fotolitografi och torretsning definieras en aktiv åsvågledare och planariseras sedan med låg-förlustpolymeren bensocyklobuten (BCB). En vågledare är placerad vertikalt mellan två utsträckta metalliseringsskikt, som begränsar de optiska och mikrovågslägena och fungerar som elektriska kontakter för att förspänna laserenheten."
Denna konfiguration resulterar i låga utbredningsförluster, minskar kromatisk spridning, ökar värmeavledning och förbättrar mikrovågsegenskaper, eftersom lasern är inbäddad i en mikrovågledare med låg-förlust och låg-impedans.
Aktiv modellockning
Teamets metod är baserad på aktiv modellockning, vilket innebär att modulera laserförspänningen via en extern elektrisk signal för att generera ett tåg av koherenta korta optiska pulser (en frekvenskam). I tidigare demonstrationer fungerade detta bara om moduleringssignalens frekvens var synkroniserad med den tid det tar ljuset att färdas mellan laserns två speglar (det är fixerat av de fysiska kavitetsdimensionerna).
"Vi demonstrerade en helt ny regim, där vi kontinuerligt och brett kan ställa in repetitionsfrekvensen för pulståget med så mycket som 400%", säger Senica. "Denna extraordinära avstämningsförmåga uppnås genom att bilda en stående mikrovågsoscillation längs hela laserkaviteten, vilket resulterar i en pulsdragande effekt som snabbar upp eller saktar ner den optiska pulsen för att alltid vara synkroniserad med den externa moduleringsfrekvensen."
Styr hastigheten för optiska pulser på-chip via mikrovågor
En av de coolaste aspekterna av detta arbete är "vi kan i huvudsak kontrollera hastigheten på optiska pulser på ett fotoniskt chip med mikrovågor," säger Senica. "I en enkel analogi liknar det en vattenvåg som driver en surfare framåt. I mer tekniska termer finns det en frekvensberoende-fasförskjutning mellan mikrovågspulsen och den optiska pulsen, och den resulterande förstärknings-/förlustgradienten resulterar i en modifierad grupphastighet för den optiska pulsen så att den nya repetitionshastigheten matchar den externa mikrovågsgenomgången med goda frekvenser, när vi fullt ut kunde förstå frekvensen. överensstämmelse mellan experiment- och simuleringsresultaten."
Hela detta projekt är en kulmen på flera år av stora tekniska och vetenskapliga framsteg, inklusive design och molekylär strålepitaxitillväxt i den bredbandslaseraktiva regionen; simulering, tillverkning och karakterisering av planariserade THz QCLs; och omfattande analytiska och numeriska simuleringar av den modulerade laserkaviteten.
En viktig del av teamets arbete involverade avancerade simuleringar av deras enheter. "Särskilt utvecklade våra medarbetare vid TU München i Tyskland en ny simuleringsmetod för att modellera hela den modulerade laserkaviteten", säger Senica. "Detta inkluderar modellering av laserns kvantsystem, mikrovågsutbredningen och den optiska pulsgenereringen-som kombinerar tre olika domäner inom en enda simuleringsstudie, exakt återgivning av experimentresultaten och ger avgörande insikter i laserdynamiken."
Kommunikation, spektroskopi och avkänningstillämpningar framöver
Tack vare deras kontinuerligt och brett avstämbara modelllåsta lasrar finns det många potentiella tillämpningar för kommunikation, spektroskopi och avkänning. "För tidsdomänen kan det koherenta pulståget synkroniseras till en godtycklig extern mikrovågssignal eller avstämbar fördröjningslinje", säger Senica. "För frekvensdomänen kan det avstämbara lägesavståndet inom frekvenskammen stänga alla spektrala luckor."
Senica och kollegor har faktiskt redan demonstrerat ett absorptionsspektroskopiexperiment som bara krävde en enkel intensitetsdetektor-snarare än ett spektrometerinstrument i bordsstorlek-.
"Vi tror att vårt tillvägagångssätt också kommer att vara relativt enkelt att implementera med andra typer av halvledarlasrar över de infraröda och synliga områdena av det elektromagnetiska spektrumet och bana väg för en mängd olika tillämpningar," säger Senica. "En viktig aspekt kommer att vara optimerade mikrovågsegenskaper, tillsammans med avancerad förpackning av sådana enheter."
