Bertolak dari pendekatan modeling standard, satu pasukan penyelidik yang diketuai oleh Profesor Giacomo Scalari dan Jerome Faist di Jabatan Fizik di ETH Zurich, dan Profesor Christian Jirauschek di Universiti Teknikal Munich, mencipta laser semikonduktor model model monolitik dengan kadar ulangan boleh ditala secara berterusan dan meluas dari 4 hingga 16 GHz. Dan, yang menarik, pendekatan mereka harus berfungsi untuk laser semikonduktor lain dan panjang gelombang pelepasan laser.
Untuk menariknya, para penyelidik menggunakan laser lata kuantum (QCL) terahertz (THz) untuk menghasilkan sikat frekuensi yang koheren. Walaupun diketahui umum bahawa THz QCL boleh digunakan untuk menjana sikat, pembangunan THz QCL terancang terbaru pasukan dengan sifat gelombang mikro yang dipertingkat menggalakkan mereka meneroka modulasi kuat rongga laser menggunakan gelombang mikro luaran-dan mereka menemui beberapa rejim baru bagi operasi laser semikonduktor.
"Peranti kami adalah berdasarkan THz QCL terancang. Bahan rantau aktifnya terdiri daripada gallium arsenide (GaAs)/aluminium gallium arsenide (AlGaAs) superlattice, wafer-terikat pada substrat pembawa GaAs," jelas Urban Senica, yang pada masa itu adalah Ph.D. pelajar di ETH Zurich tetapi kini seorang felo pasca doktoral di Makmal untuk Nanoscale Optik Universiti Harvard. "Dengan menggunakan fotolitografi dan goresan kering, pandu gelombang rabung aktif ditakrifkan dan kemudiannya direncanakan dengan-rendah polimer benzocyclobutene (BCB). Pandu gelombang diapit secara menegak di antara dua lapisan pengelogan lanjutan, yang mengehadkan mod optik dan gelombang mikro dan bertindak sebagai sesentuh elektrik untuk memincangkan peranti laser."
Konfigurasi ini menghasilkan kehilangan perambatan yang rendah, mengurangkan serakan kromatik, meningkatkan pelesapan haba dan memperbaik sifat gelombang mikro, kerana laser dibenamkan dalam pandu gelombang gelombang mikro yang rendah-kehilangan,{1}}rendah.
Modelcking aktif
Kaedah pasukan adalah berdasarkan modeling aktif, yang melibatkan modulasi voltan pincang laser melalui isyarat elektrik luaran untuk menjana rangkaian denyutan optik pendek yang koheren (sisir frekuensi). Dalam demonstrasi sebelumnya, ini hanya berfungsi jika kekerapan isyarat modulasi disegerakkan dengan masa yang diperlukan cahaya untuk bergerak antara dua cermin laser (ia ditetapkan oleh dimensi rongga fizikal).
"Kami menunjukkan rejim yang benar-benar baru, di mana kami boleh menala secara berterusan dan meluas kekerapan kadar pengulangan kereta api nadi sebanyak 400%," kata Senica. "Penalaan yang luar biasa ini dicapai dengan membentuk ayunan gelombang mikro berdiri di sepanjang keseluruhan rongga laser, yang menghasilkan kesan tarikan nadi yang mempercepatkan atau memperlahankan nadi optik untuk sentiasa disegerakkan dengan frekuensi modulasi luaran."
Mengawal kelajuan pada-denyut optikal cip melalui gelombang mikro
Salah satu aspek paling hebat dalam kerja ini ialah "kita pada dasarnya boleh mengawal kelajuan denyutan optik pada cip fotonik dengan gelombang mikro, " kata Senica. "Dalam analogi mudah, ia adalah serupa dengan gelombang air yang menolak peluncur ke hadapan. Dalam istilah yang lebih teknikal, terdapat -perubahan fasa bergantung frekuensi antara gelombang mikro dan nadi optik, dan kecerunan keuntungan/kerugian yang terhasil menghasilkan halaju kumpulan yang diubah suai bagi nadi optik supaya kadar ulangan baharu sepadan dengan frekuensi gelombang mikro luaran. Momen kejayaan adalah apabila kami dapat memahami proses ini, dengan baik dan sempurna antara proses simulasi."
Keseluruhan projek ini adalah kemuncak beberapa tahun kemajuan teknikal dan saintifik utama, termasuk reka bentuk dan pertumbuhan epitaksi pancaran molekul bagi kawasan aktif laser jalur lebar; simulasi, fabrikasi, dan pencirian THz QCL terancang; dan simulasi analitikal dan berangka yang meluas bagi rongga laser termodulat.
Bahagian penting kerja pasukan melibatkan simulasi lanjutan peranti mereka. "Khususnya, kolaborator kami di TU Munich di Jerman membangunkan pendekatan simulasi baharu untuk memodelkan keseluruhan rongga laser termodulat," kata Senica. "Ini termasuk pemodelan sistem kuantum laser, perambatan gelombang mikro dan penjanaan nadi optik-menggabungkan tiga domain berbeza dalam satu kajian simulasi, menghasilkan semula keputusan percubaan dengan tepat dan memberikan cerapan penting tentang dinamik laser."
Komunikasi, spektroskopi dan aplikasi penderiaan di hadapan
Terima kasih kepada laser model yang boleh ditala secara berterusan dan meluas, terdapat banyak aplikasi yang berpotensi untuk komunikasi, spektroskopi dan penderiaan. "Untuk domain masa, kereta api nadi koheren boleh disegerakkan kepada isyarat gelombang mikro luaran yang sewenang-wenangnya atau talian tunda boleh melaras," kata Senica. "Untuk domain frekuensi, jarak mod boleh tala dalam sikat frekuensi boleh menutup sebarang jurang spektrum."
Malah, Senica dan rakan sekerja telah menunjukkan percubaan spektroskopi penyerapan yang hanya memerlukan pengesan keamatan ringkas-dan bukannya instrumen spektrometer bersaiz atas meja-.
"Kami percaya pendekatan kami juga agak mudah untuk dilaksanakan dengan jenis laser semikonduktor lain merentasi kawasan inframerah dan boleh dilihat spektrum elektromagnet dan membuka jalan untuk pelbagai aplikasi," kata Senica. "Aspek penting ialah sifat gelombang mikro yang dioptimumkan, bersama-sama dengan pembungkusan canggih peranti sedemikian."
