Odstupajući od standardnih pristupa zaključavanju modela, tim istraživača predvođen profesorima Giacomom Scalarijem i Jeromeom Faistom na Odsjeku za fiziku na ETH u Cirihu i profesorom Christianom Jirauschekom sa Tehničkog univerziteta u Minhenu, stvorio je monolitni poluprovodnički laser sa zaključanim modelom sa brzinom neprekidnog i širokog ponavljanja od 4Hz do 16. I, intrigantno, njihov pristup bi trebao funkcionirati za druge poluvodičke lasere i talasne dužine laserske emisije.
Da bi to izveli, istraživači su koristili teraherc (THz) kvantni kaskadni laser (QCL) za proizvodnju koherentnih frekvencijskih češlja. Iako je dobro poznato da se THz QCL mogu koristiti za generiranje češlja, nedavni razvoj tima planariziranih THz QCL-a s poboljšanim mikrovalnim svojstvima potaknuo ih je da istraže snažnu modulaciju laserske šupljine pomoću vanjskih mikrovalova-i otkrili su nekoliko novih režima rada poluvodičkog lasera.
"Naš uređaj je baziran na planariziranom THz QCL-u. Materijal njegovog aktivnog područja sastoji se od superrešetke galij-arsenida (GaAs)/aluminij-galijum-arsenida (AlGaAs), pločice-vezane za GaAs noseću podlogu", objašnjava Urban Senica, koji je u to vrijeme bio dr. student na ETH u Cirihu, ali je sada postdoktorski saradnik u Laboratoriji za nanoskalnu optiku Univerziteta Harvard. "Upotrebom fotolitografije i suhog jetkanja, aktivni grebeni valovod je definiran i naknadno planariziran sa polimerom s malim gubicima benzociklobutenom (BCB). Talasovod je u sendviču vertikalno između dva proširena sloja metalizacije, koji ograničavaju optički i mikrovalni način rada i djeluju kao električni kontakti lasera za biološki kontakt."
Ova konfiguracija rezultira malim gubicima širenja, smanjuje hromatsku disperziju, povećava disipaciju topline i poboljšava mikrotalasna svojstva, jer je laser ugrađen u mikrotalasni talasovod sa malim-gubicima, niske-impedancije.
Aktivno zaključavanje modela
Metoda tima zasnovana je na aktivnom zaključavanju modela, što uključuje modulaciju laserskog napona prednapona preko vanjskog električnog signala za generiranje niza koherentnih kratkih optičkih impulsa (češalj frekvencije). U prethodnim demonstracijama, ovo je funkcionisalo samo ako je frekvencija modulacionog signala bila sinhronizovana sa vremenom koje je potrebno svetlosti da putuje između dva zrcala lasera (to je fiksirano fizičkim dimenzijama šupljine).
„Pokazali smo potpuno nov režim u kojem možemo kontinuirano i široko podesiti frekvenciju ponavljanja niza impulsa za čak 400%“, kaže Senica. "Ova izvanredna podesivost se postiže formiranjem stajaće mikrovalne oscilacije duž cijele laserske šupljine, što rezultira efektom povlačenja impulsa koji ubrzava ili usporava optički impuls kako bi uvijek bio sinkroniziran s vanjskom frekvencijom modulacije."
Kontrolisanje brzine optičkih impulsa na-čipu putem mikrotalasnih pećnica
Jedan od najzgodnijih aspekata ovog rada je „mi u suštini možemo kontrolisati brzinu optičkih impulsa na fotonskom čipu pomoću mikrotalasa“, kaže Senica. "U jednostavnoj analogiji, to je slično vodenom valu koji gura surfera naprijed. U više tehničkim terminima, postoji frekvencijski{2}}zavisni fazni pomak između mikrovalnog i optičkog impulsa, a rezultujući gradijent pojačanja/gubitka rezultira modificiranom grupnom brzinom optičkog impulsa tako da se nova stopa ponavljanja poklapa sa eksternim mikrovalnim trenutkom, kada smo uspjeli da shvatimo da je ovaj eksperiment bio u stanju da shvatimo potpunu frekvenciju. i rezultate simulacije."
Cijeli ovaj projekat je kulminacija nekoliko godina velikih tehničkih i naučnih napretka, uključujući dizajn i razvoj epitaksije molekularnog snopa širokopojasnog laserskog aktivnog područja; simulacija, proizvodnja i karakterizacija planarizovanih THz QCL-ova; i opsežne analitičke i numeričke simulacije modulirane laserske šupljine.
Ključni dio rada tima uključivao je napredne simulacije njihovih uređaja. „Konkretno, naši saradnici na TU Minhenu u Njemačkoj razvili su novi simulacijski pristup za modeliranje cijele modulirane laserske šupljine“, kaže Senica. "Ovo uključuje modeliranje kvantnog sistema lasera, širenje mikrovalova i generiranje optičkih impulsa-kombinirajući tri različita domena unutar jedne simulacijske studije, precizno reproducirajući eksperimentalne rezultate i pružajući ključni uvid u dinamiku lasera."
Predstoje komunikacije, spektroskopija i primjena senzora
Zahvaljujući njihovim kontinuiranim i široko podesivim laserima sa zaključavanjem modela, postoje mnoge potencijalne primjene za komunikaciju, spektroskopiju i senzor. "Za vremenski domen, koherentni niz impulsa može se sinhronizovati sa proizvoljnim eksternim mikrotalasnim signalom ili podesivom linijom kašnjenja", kaže Senica. "Za frekvencijski domen, podesivi razmak modova unutar frekventnog češlja može zatvoriti sve spektralne praznine."
U stvari, Senica i kolege su već demonstrirali eksperiment apsorpcione spektroskopije za koji je bio potreban samo jednostavan detektor intenziteta-umjesto stolnog{1}} spektrometarskog instrumenta veličine stola.
"Vjerujemo da će naš pristup također biti relativno jednostavan za implementaciju s drugim tipovima poluvodičkih lasera u infracrvenim i vidljivim područjima elektromagnetnog spektra i utrti put za širok spektar primjena", kaže Senica. "Važan aspekt će biti optimizirana svojstva mikrovalne pećnice, zajedno sa naprednim pakovanjem takvih uređaja."
