Atkāpjoties no standarta modeļu noteikšanas pieejām, pētnieku komanda, kuru vadīja profesori Džakomo Skalari un Džeroms Faists no ETH Cīrihes Fizikas katedras un profesors Kristians Jiraušeks no Minhenes Tehniskās universitātes, izveidoja monolītu bloķētu pusvadītāju GH lāzeru ar nepārtraukti un plaši regulējamu atkārtošanās ātrumu no 4 līdz 16. Un intriģējoši, ka viņu pieejai vajadzētu darboties citiem pusvadītāju lāzeriem un lāzera emisijas viļņu garumiem.
Lai to izdarītu, pētnieki izmantoja terahercu (THz) kvantu kaskādes lāzeru (QCL), lai izveidotu saskaņotas frekvences ķemmes. Lai gan ir labi zināms, ka THz QCL var izmantot ķemmes ģenerēšanai, komandas nesen izstrādātie planarizētie THz QCL ar uzlabotām mikroviļņu īpašībām mudināja viņus izpētīt lāzera dobuma spēcīgo modulāciju, izmantojot ārējos mikroviļņus, un viņi atklāja vairākus jaunus pusvadītāju lāzera darbības režīmus.
"Mūsu ierīce ir balstīta uz planarizētu THz QCL. Tās aktīvā apgabala materiāls sastāv no gallija arsenīda (GaAs)/alumīnija gallija arsenīda (AlGaAs) superrežģa, vafeles,-saistītas ar GaAs nesēja substrātu," skaidro Urbans Senica, kurš tajā laikā bija doktora grāds. students ETH Cīrihē, bet tagad ir pēcdoktorants Hārvardas Universitātes Nanomēroga optikas laboratorijā. "Izmantojot fotolitogrāfiju un sauso kodināšanu, tiek definēts aktīvs izciļņu viļņvads un pēc tam planarizēts ar zemu -zaudējumu polimēru benzociklobutēnu (BCB). Viļņvads ir vertikāli iestiprināts starp diviem pagarinātiem metalizācijas slāņiem, kas ierobežo optiskos un mikroviļņu režīmus un darbojas kā elektriskie kontakti lāzerierīces novirzīšanai."
Šī konfigurācija rada zemus izplatīšanās zudumus, samazina hromatisko izkliedi, palielina siltuma izkliedi un uzlabo mikroviļņu īpašības, jo lāzers ir iestrādāts zemu{0}}zudumu, zemas{1}}pretestības mikroviļņu viļņvadā.
Aktīvā modelēšana
Komandas metode ir balstīta uz aktīvo modeļu bloķēšanu, kas ietver lāzera novirzes sprieguma modulēšanu, izmantojot ārēju elektrisko signālu, lai radītu saskaņotu īsu optisko impulsu vilcienu (frekvences ķemmi). Iepriekšējās demonstrācijās tas darbojās tikai tad, ja modulācijas signāla frekvence tika sinhronizēta ar laiku, kas nepieciešams, lai gaisma pārvietotos starp diviem lāzera spoguļiem (to nosaka fiziskās dobuma izmēri).
"Mēs demonstrējām pilnīgi jaunu režīmu, kurā mēs varam nepārtraukti un plaši noregulēt impulsu vilciena atkārtošanās frekvenci pat par 400%, " saka Senica. "Šī neparastā regulējamība tiek panākta, veidojot stāvošas mikroviļņu svārstības visā lāzera dobumā, kas rada impulsa vilkšanas efektu, kas paātrina vai palēnina optisko impulsu, lai tas vienmēr tiktu sinhronizēts ar ārējo modulācijas frekvenci."
Mikroviļņu{0}}mikroshēmas optisko impulsu ātruma kontrole
Viens no šī darba stilīgākajiem aspektiem ir "mēs būtībā varam kontrolēt optisko impulsu ātrumu fotoniskajā mikroshēmā ar mikroviļņiem", saka Senica. "Vienkāršā analoģijā tas ir līdzīgs ūdens vilnim, kas virza sērfotāju uz priekšu. Tehniskākā izteiksmē pastāv frekvences -atkarīga fāzes nobīde starp mikroviļņu krāsni un optisko impulsu, un iegūtais pastiprinājuma/zaudēšanas gradients rada modificētu optiskā impulsa grupas ātrumu, lai jaunais atkārtošanās ātrums atbilstu ārējā mikroviļņu frekvences momentam, kad šis process bija labs, kad mēs spējam pilnībā izprast šo eksperimentu. simulācijas rezultāti."
Viss šis projekts ir vairāku gadu lielu tehnisko un zinātnisko sasniegumu kulminācija, tostarp platjoslas lāzera aktīvā reģiona projektēšana un molekulārā stara epitaksijas pieaugums; planarizētu THz QCL modelēšana, izgatavošana un raksturošana; un plaša modulētā lāzera dobuma analītiskā un skaitliskā simulācija.
Galvenā komandas darba daļa bija viņu ierīču uzlabotas simulācijas. "Jo īpaši mūsu līdzstrādnieki TU Minhenē Vācijā izstrādāja jaunu simulācijas pieeju, lai modelētu visu modulēto lāzera dobumu," saka Senica. "Tas ietver lāzera kvantu sistēmas modelēšanu, mikroviļņu izplatīšanos un optisko impulsu ģenerēšanu,{2}}apvienojot trīs dažādus domēnus vienā simulācijas pētījumā, precīzi reproducējot eksperimentālos rezultātus un sniedzot būtisku ieskatu lāzera dinamikā."
Sakaru, spektroskopijas un sensoru lietojumprogrammas priekšā
Pateicoties nepārtraukti un plaši noskaņojamiem lāzeriem ar moduļu bloķēšanu, ir daudz potenciālu pielietojumu sakariem, spektroskopijai un sensoriem. "Laika jomā saskaņoto impulsu vilcienu var sinhronizēt ar patvaļīgu ārēju mikroviļņu signālu vai regulējamu aizkaves līniju," saka Senica. "Frekvenču domēnam noskaņojamā režīma atstatums frekvenču ķemmē var aizvērt visas spektrālās nepilnības."
Faktiski Senica un kolēģi jau demonstrēja absorbcijas spektroskopijas eksperimentu, kurā bija nepieciešams tikai vienkāršs intensitātes detektors,-nevis galda-izmēra spektrometra instruments.
"Mēs uzskatām, ka mūsu pieeja būs arī salīdzinoši vienkārša, lai to īstenotu ar cita veida pusvadītāju lāzeriem elektromagnētiskā spektra infrasarkanajos un redzamajos reģionos un pavērtu ceļu dažādiem lietojumiem," saka Senica. "Svarīgs aspekts būs optimizētas mikroviļņu īpašības, kā arī uzlabots šādu ierīču iepakojums."
