Одступајући од стандардних приступа за закључавање модела, тим истраживача предвођен професорима Гиацомом Сцаларијем и Јероме Фаистом на Одсјеку за физику на ЕТХ Цириху и професором Цхристианом Јираусцхеком са Техничког универзитета у Минхену, створио је монолитни полупроводнички ласер са закључавањем модела са брзином непрекидног и широког понављања од 4 до 16. И, интригантно, њихов приступ би требало да функционише за друге полупроводничке ласере и таласне дужине ласерске емисије.
Да би то извели, истраживачи су користили терахерц (ТХз) квантни каскадни ласер (КЦЛ) за производњу кохерентних фреквенцијских чешља. Иако је добро познато да ТХз КЦЛ-ови могу да се користе за генерисање чешља, недавни развој тима планаризованих ТХз КЦЛ-а са побољшаним микроталасним својствима подстакао их је да истраже снажну модулацију ласерске шупљине помоћу спољашњих микроталаса-и открили су неколико нових режима рада полупроводничког ласера.
„Наш уређај је заснован на планаризованом ТХз КЦЛ-у. Материјал његовог активног региона се састоји од суперрешетке галијум-арсенида (ГаАс)/алуминијум-галијум-арсенида (АлГаАс), плочице-везане за ГаАс носећу подлогу“, објашњава Урбан Сеница, који је у то време био др. студент на ЕТХ Цириху, али је сада постдокторски сарадник у Лабораторији за наноскалну оптику Универзитета Харвард. „Користећи фотолитографију и суво гравирање, активни гребени таласовод се дефинише и затим планаризује са -полимером са малим губитком бензоциклобутеном (БЦБ). Таласовод је у сендвичу вертикално између два проширена слоја метализације, који ограничавају оптички и микроталасни режим и делују као електрични контакти ласера за биолошке контакте.“
Ова конфигурација доводи до малих губитака при простирању, смањује хроматску дисперзију, повећава дисипацију топлоте и побољшава микроталасне карактеристике, јер је ласер уграђен у микроталасни таласовод са малим-губицима и ниском-импедансом.
Активно закључавање модела
Метода тима је заснована на активном закључавању модела, што укључује модулацију напона ласерског преднапона преко екстерног електричног сигнала за генерисање низа кохерентних кратких оптичких импулса (чешаљ фреквенције). У претходним демонстрацијама, ово је функционисало само ако је фреквенција модулационог сигнала била синхронизована са временом које је потребно светлости да путује између два огледала ласера (то је фиксирано физичким димензијама шупљине).
„Демонстрирали смо потпуно нов режим, у којем можемо континуирано и широко подесити фреквенцију понављања низа импулса за чак 400%“, каже Сеница. „Ова изузетна прилагодљивост се постиже формирањем стајаће микроталасне осцилације дуж целе ласерске шупљине, што резултира ефектом повлачења импулса који убрзава или успорава оптички импулс да би увек био синхронизован са фреквенцијом спољашње модулације.
Контролисање брзине оптичких импулса на{0}}чипу преко микроталасних пећница
Један од најслађих аспеката овог рада је „ми у суштини можемо да контролишемо брзину оптичких импулса на фотонском чипу помоћу микроталасних пећница“, каже Сеница. „У једноставној аналогији, то је слично воденом таласу који гура сурфера напред. У више техничким терминима, постоји померање фазе у зависности од фреквенције између микроталасног и оптичког импулса, а резултујући градијент појачања/губљења резултира модификованом групном брзином оптичког импулса тако да се нова стопа понављања поклапа са екстерним микроталасним моментом када смо успели да разумемо да је овај експеримент био у стању да разумемо потпуну фреквенцију. и резултати симулације“.
Цео овај пројекат је кулминација неколико година великог техничког и научног напретка, укључујући дизајн и развој епитаксије молекуларног снопа широкопојасног ласерског активног региона; симулација, производња и карактеризација планаризованих ТХз КЦЛ-ова; и обимне аналитичке и нумеричке симулације модулисане ласерске шупљине.
Кључни део рада тима укључивао је напредне симулације њихових уређаја. „Нарочито, наши сарадници у ТУ Минхену у Немачкој развили су нови приступ симулацији за моделовање целе модулисане ласерске шупљине“, каже Сеница. „Ово укључује моделирање квантног система ласера, микроталасног ширења и генерисања оптичких импулса-комбинујући три различита домена у оквиру једне студије симулације, прецизно репродукујући експерименталне резултате и пружајући кључни увид у динамику ласера.“
Предстоје комуникације, спектроскопија и сенсинг
Захваљујући њиховим континуираним и широко подесивим ласерима са закључавањем модела, постоји много потенцијалних апликација за комуникацију, спектроскопију и сенсинг. „За временски домен, кохерентни импулсни низ може бити синхронизован са произвољним екстерним микроталасним сигналом или подесивом линијом кашњења“, каже Сеница. "За фреквенцијски домен, подесиви размак између фреквентног чешља може затворити све спектралне празнине."
У ствари, Сеница и колеге су већ демонстрирали експеримент апсорпционе спектроскопије који је захтевао само једноставан детектор интензитета-уместо стоног{1}} спектрометарског инструмента величине стола.
„Верујемо да ће наш приступ такође бити релативно једноставан за имплементацију са другим типовима полупроводничких ласера у инфрацрвеним и видљивим регионима електромагнетног спектра и утрти пут за широк спектар примена“, каже Сеница. „Важан аспект биће оптимизована својства микроталасне пећнице, заједно са напредним паковањем таквих уређаја.
