Tavallisista mallintunnistusmenetelmistä poiketen ETH Zürichin fysiikan laitoksen professorien Giacomo Scalarin ja Jerome Faistin sekä Münchenin teknisen yliopiston professori Christian Jirauschekin johtama tutkijaryhmä loi monoliittisen mallilukitun puolijohdelaserin, jonka toistotaajuus on jatkuvasti ja laajasti viritettävä 4z:stä 16:een. Ja kiehtovaa, heidän lähestymistapansa pitäisi toimia muilla puolijohdelaserilla ja laseremissioaallonpituuksilla.
Sen poistamiseksi tutkijat käyttivät terahertsin (THz) kvanttikaskadilaseria (QCL) koherenttien taajuuskampojen tuottamiseksi. Vaikka tiedetään hyvin, että THz QCL:itä voidaan käyttää kampajen luomiseen, tiimin äskettäinen kehittäminen tasomaisille THz QCL:ille, joilla on parannetut mikroaaltoominaisuudet, rohkaisi heitä tutkimaan laserontelon voimakasta modulaatiota ulkoisten mikroaaltojen avulla-, ja he löysivät useita uusia puolijohdelasertoiminnan järjestelmiä.
"Laitteemme perustuu planarisoituun THz QCL:ään. Sen aktiivisen alueen materiaali koostuu galliumarsenidin (GaAs)/alumiinigalliumarsenidin (AlGaAs) superhilasta, joka on -kiekkoon liitetty GaAs-kantoalustaan", selittää tuolloin tohtori Urban Senica. opiskelija ETH Zürichissä, mutta on nyt tohtorintutkinto Harvardin yliopiston Nanoscale Optics -laboratoriossa. "Käyttämällä fotolitografiaa ja kuivasyövytystä aktiivinen harja-aaltoputki määritetään ja tasoitetaan myöhemmin pienihäviöisellä bentsosyklobuteenilla (BCB). Aaltoputki on kerrostettu pystysuoraan kahden laajennetun metallointikerroksen väliin, jotka rajoittavat optisen ja mikroaaltotilan ja toimivat sähkökoskettimina laserlaitteen esijännittämisessä."
Tämä kokoonpano johtaa alhaisiin etenemishäviöihin, vähentää kromaattista hajoamista, lisää lämmön hajoamista ja parantaa mikroaaltoominaisuuksia, koska laser on upotettu pieni{0}}häviö, pieni-impedanssi mikroaaltoputkiin.
Aktiivinen mallinvaihto
Ryhmän menetelmä perustuu aktiiviseen mallin lukitsemiseen, joka sisältää laserin bias-jännitteen moduloinnin ulkoisen sähköisen signaalin avulla koherenttien lyhyiden optisten pulssien (taajuuskampa) muodostamiseksi. Aiemmissa demonstraatioissa tämä toimi vain, jos modulaatiosignaalin taajuus oli synkronoitu ajan kanssa, joka kuluu valon kulkemiseen laserin kahden peilin välillä (se määräytyy fyysisten onteloiden mittojen mukaan).
"Esittelimme täysin uudenlaisen järjestelmän, jossa voimme jatkuvasti ja laajasti virittää pulssijonon toistotaajuutta jopa 400 prosentilla", Senica sanoo. "Tämä poikkeuksellinen viritettävyys saavutetaan muodostamalla seisova mikroaaltovärähtely pitkin koko laseronteloa, mikä johtaa pulssin vetovaikutukseen, joka nopeuttaa tai hidastaa optista pulssia synkronoidakseen aina ulkoisen modulaatiotaajuuden kanssa."
Piirin optisten pulssien nopeuden hallinta mikroaaltojen avulla
Yksi tämän työn hienoimmista puolista on "voimme olennaisesti ohjata optisten pulssien nopeutta fotonisella sirulla mikroaaltojen avulla", Senica sanoo. "Yksinkertaisella analogialla se on samanlainen kuin vesiaalto, joka työntää surffaajaa eteenpäin. Teknisemmin sanottuna mikroaallon ja optisen pulssin välillä on taajuudesta -riippuvainen vaihesiirto, ja tuloksena oleva vahvistus/häviögradientti johtaa optisen pulssin modifioituun ryhmänopeuteen niin, että uusi toistonopeus vastaa ulkoisen mikroaaltotaajuuden välistä yhteisymmärrystä täysin. simulaatiotulokset."
Tämä koko projekti on huipentuma useiden vuosien suurille teknisille ja tieteellisille edistyksille, mukaan lukien laajakaistaisen laseraktiivisen alueen suunnittelu ja molekyylisäteen epitaksinen kasvu; planarisoitujen THz QCL:ien simulointi, valmistus ja karakterisointi; ja laajat analyyttiset ja numeeriset simulaatiot moduloidusta laserontelosta.
Keskeinen osa tiimin työtä sisälsi heidän laitteidensa edistyneet simulaatiot. "Erityisesti yhteistyökumppanimme TU Münchenissä Saksassa kehittivät uuden simulointimenetelmän koko moduloidun laserontelon mallintamiseen", Senica sanoo. "Tämä sisältää laserin kvanttijärjestelmän mallintamisen, mikroaaltojen etenemisen ja optisen pulssin generoinnin-yhdistäen kolme erilaista aluetta yhdessä simulaatiotutkimuksessa, toistamalla kokeelliset tulokset tarkasti ja tarjoamalla tärkeitä näkemyksiä laserdynamiikasta."
Tietoliikenne, spektroskopia ja tunnistussovellukset edessä
Jatkuvasti ja laajasti viritettävien mallilukittujen lasereiden ansiosta on monia mahdollisia sovelluksia viestintään, spektroskopiaan ja tunnistustarkoituksiin. "Aika-alueella koherentti pulssijono voidaan synkronoida mielivaltaiseen ulkoiseen mikroaaltosignaaliin tai viritettävään viivelinjaan", Senica sanoo. "Taajuusalueella viritettävä tilaväli taajuuskamman sisällä voi sulkea kaikki spektriraot."
Itse asiassa Senica ja kollegat esittivät jo absorptiospektroskopiakokeen, jossa tarvittiin vain yksinkertainen intensiteettidetektori-pöytäkokoisen-spektrometrilaitteen sijaan.
"Uskomme, että lähestymistapamme on myös suhteellisen yksinkertainen toteuttaa muun tyyppisillä puolijohdelasereilla sähkömagneettisen spektrin infrapuna- ja näkyvillä alueilla ja tasoittaa tietä monenlaisille sovelluksille", Senica sanoo. "Tärkeä näkökohta ovat optimoidut mikroaaltouunin ominaisuudet sekä tällaisten laitteiden edistynyt pakkaus."
