Отходя от стандартных подходов к синхронизации моделей, группа исследователей под руководством профессоров Джакомо Скалари и Джерома Файста с кафедры физики ETH Цюриха и профессора Кристиана Йираушека из Технического университета Мюнхена создала монолитный полупроводниковый лазер с синхронизацией моделей с плавно и широко настраиваемой частотой повторения от 4 до 16 ГГц. И что интересно, их подход должен работать для других полупроводниковых лазеров и длин волн лазерного излучения.
Чтобы осуществить это, исследователи использовали терагерцовый (ТГц) квантово-каскадный лазер (QCL) для создания когерентных гребенок частот. Хотя хорошо известно, что ТГц ККЛ можно использовать для создания гребенок, недавняя разработка группой планаризованных ТГц ККЛ с улучшенными микроволновыми свойствами побудила их изучить сильную модуляцию лазерного резонатора с помощью внешних микроволн-и они открыли несколько новых режимов работы полупроводниковых лазеров.
«Наше устройство основано на планаризованном ТГц ККЛ. Материал его активной области состоит из сверхрешетки из арсенида галлия (GaAs)/арсенида алюминия-галлия (AlGaAs), -связанной с подложкой-носителем GaAs», — объясняет Урбан Сеника, который в то время был доктором философии. студент ETH Zurich, но сейчас работает научным сотрудником в лаборатории наноразмерной оптики Гарвардского университета. «С помощью фотолитографии и сухого травления формируется волновод с активным гребнем, а затем выравнивается с помощью полимера бензоциклобутена (BCB) с низкими -потерями. Волновод зажат вертикально между двумя протяженными слоями металлизации, которые ограничивают оптические и микроволновые моды и действуют как электрические контакты для смещения лазерного устройства».
Такая конфигурация обеспечивает низкие потери распространения, уменьшает хроматическую дисперсию, увеличивает рассеивание тепла и улучшает микроволновые свойства, поскольку лазер встроен в микроволновый волновод с низкими-потерями и низким-импедансом.
Активная блокировка моделей
Метод команды основан на активной синхронизации моделей, которая включает в себя модуляцию напряжения смещения лазера с помощью внешнего электрического сигнала для генерации последовательности когерентных коротких оптических импульсов (гребенка частот). В предыдущих демонстрациях это работало только в том случае, если частота сигнала модуляции была синхронизирована со временем, необходимым свету для прохождения между двумя зеркалами лазера (оно фиксируется физическими размерами полости).
«Мы продемонстрировали совершенно новый режим, в котором мы можем непрерывно и широко настраивать частоту повторения последовательности импульсов на целых 400%», — говорит Сеница. «Эта необычайная возможность настройки достигается за счет формирования стоячих микроволновых колебаний вдоль всего резонатора лазера, что приводит к эффекту затягивания импульса, который ускоряет или замедляет оптический импульс, чтобы он всегда был синхронизирован с частотой внешней модуляции».
Управление скоростью внутри-оптических импульсов с помощью микроволн
Один из самых крутых аспектов этой работы заключается в том, что «мы можем фактически контролировать скорость оптических импульсов на фотонном чипе с помощью микроволн», — говорит Сеника. «Если провести простую аналогию, это похоже на волну воды, толкающую серфера вперед. В более технических терминах существует частотно-зависимый сдвиг фаз между микроволновым и оптическим импульсом, и результирующий градиент усиления/потери приводит к изменению групповой скорости оптического импульса, так что новая частота повторения соответствует внешней микроволновой частоте. Прорывным моментом стало то, что мы смогли полностью понять этот процесс, с хорошим соответствием между экспериментальными результатами и результатами моделирования».
Весь этот проект является кульминацией нескольких лет крупных технических и научных достижений, включая разработку и выращивание молекулярно-лучевой эпитаксии активной области широкополосного лазера; моделирование, изготовление и характеристика планаризованных ТГц ККЛ; и обширное аналитическое и численное моделирование резонатора модулированного лазера.
Ключевая часть работы команды заключалась в расширенном моделировании их устройств. «В частности, наши сотрудники из Мюнхенского технического университета в Германии разработали новый подход к моделированию всего резонатора модулированного лазера», — говорит Сеница. «Это включает в себя моделирование квантовой системы лазера, распространения микроволнового излучения и генерации оптических импульсов-объединение трех различных областей в рамках одного симуляционного исследования, точное воспроизведение экспериментальных результатов и предоставление важной информации о динамике лазера».
Впереди коммуникационные, спектроскопические и сенсорные приложения
Благодаря их непрерывно и широко настраиваемым лазерам с синхронизацией моделей существует множество потенциальных приложений для связи, спектроскопии и зондирования. «Во временной области когерентная последовательность импульсов может быть синхронизирована с произвольным внешним микроволновым сигналом или настраиваемой линией задержки», — говорит Сеника. «В частотной области настраиваемый интервал мод внутри частотной гребенки может закрыть любые спектральные пробелы».
Фактически, Сеника и его коллеги уже продемонстрировали эксперимент по абсорбционной спектроскопии, для которого требовался только простой детектор интенсивности,-а не настольный-спектрометр.
«Мы считаем, что наш подход будет относительно просто реализовать с другими типами полупроводниковых лазеров в инфракрасной и видимой областях электромагнитного спектра и откроет путь для широкого спектра применений», — говорит Сеница. «Важным аспектом будут оптимизированные свойства микроволнового излучения, а также усовершенствованная упаковка таких устройств».
