In afwijking van de standaard modelocking-benaderingen heeft een team van onderzoekers onder leiding van professoren Giacomo Scalari en Jerome Faist van de afdeling natuurkunde van de ETH Zürich, en professor Christian Jirauschek van de Technische Universiteit van München, een monolithische modelocked halfgeleiderlaser gemaakt met een continu en breed afstembare herhalingssnelheid van 4 tot 16 GHz. En, intrigerend genoeg, zou hun aanpak moeten werken voor andere halfgeleiderlasers en laseremissiegolflengten.
Om dit voor elkaar te krijgen, gebruikten de onderzoekers een terahertz (THz) kwantumcascadelaser (QCL) om coherente frequentiekammen te produceren. Hoewel het algemeen bekend is dat THz QCL's kunnen worden gebruikt om kammen te genereren, moedigde de recente ontwikkeling van het team van geplanariseerde THz QCL's met verbeterde microgolfeigenschappen hen aan om de sterke modulatie van de laserholte te onderzoeken met behulp van externe microgolven-en ze ontdekten verschillende nieuwe regimes voor de werking van halfgeleiderlasers.
"Ons apparaat is gebaseerd op een geplanariseerde THz QCL. Het actieve gebiedsmateriaal bestaat uit een galliumarsenide (GaAs)/aluminium galliumarsenide (AlGaAs) superrooster, wafer-gebonden aan een GaAs-dragersubstraat", legt Urban Senica uit, die destijds een Ph.D. student aan de ETH Zürich, maar is nu postdoctoraal onderzoeker aan het Laboratory for Nanoscale Optics van Harvard University. "Door gebruik te maken van fotolithografie en droog etsen wordt een actieve golfgeleider gedefinieerd en vervolgens vlak gemaakt met het polymeer benzocyclobuteen (BCB) met laag{5}}verlies. Een golfgeleider wordt verticaal ingeklemd tussen twee verlengde metallisatielagen, die de optische en microgolfmodi beperken en fungeren als elektrische contacten voor het voorspannen van het laserapparaat. "
Deze configuratie resulteert in lage voortplantingsverliezen, vermindert de chromatische dispersie, verhoogt de warmtedissipatie en verbetert de microgolfeigenschappen, omdat de laser is ingebed in een microgolfgolfgeleider met laag-verlies en lage- impedantie.
Actieve modelontwikkeling
De methode van het team is gebaseerd op actieve modellocking, waarbij de laservoorspanning via een extern elektrisch signaal wordt gemoduleerd om een reeks coherente korte optische pulsen (een frequentiekam) te genereren. In eerdere demonstraties werkte dit alleen als de frequentie van het modulatiesignaal gesynchroniseerd was met de tijd die het licht nodig heeft om tussen de twee spiegels van de laser te reizen (deze wordt bepaald door de fysieke afmetingen van de holte).
"We hebben een volledig nieuw regime gedemonstreerd, waarbij we de herhalingsfrequentie van de pulstrein continu en breed kunnen afstemmen met maar liefst 400%", zegt Senica. "Deze buitengewone afstembaarheid wordt bereikt door het vormen van een staande microgolfoscillatie langs de gehele laserholte, wat resulteert in een pulstrekkend effect dat de optische puls versnelt of vertraagt om altijd gesynchroniseerd te zijn met de externe modulatiefrequentie."
Regeling van de snelheid van optische pulsen op de-chip via microgolven
Een van de coolste aspecten van dit werk is "we kunnen in wezen de snelheid van optische pulsen op een fotonische chip regelen met behulp van microgolven", zegt Senica. "In een simpele analogie is het vergelijkbaar met een watergolf die een surfer vooruit duwt. In meer technische termen is er een frequentie{2}}afhankelijke faseverschuiving tussen de microgolf- en optische puls, en de resulterende winst/verlies-gradiënt resulteert in een gewijzigde groepssnelheid van de optische puls, zodat de nieuwe herhalingssnelheid overeenkomt met de externe microgolffrequentie. Een doorbraakmoment was toen we dit proces volledig konden begrijpen, met een goede overeenkomst tussen de experimentele en simulatieresultaten."
Dit hele project is het resultaat van een aantal jaren van grote technische en wetenschappelijke vooruitgang, waaronder het ontwerp en de groei van moleculaire bundelepitaxie van het actieve breedbandlasergebied; de simulatie, fabricage en karakterisering van geplanariseerde THz QCL's; en uitgebreide analytische en numerieke simulaties van de gemoduleerde laserholte.
Een belangrijk onderdeel van het werk van het team bestond uit geavanceerde simulaties van hun apparaten. "In het bijzonder hebben onze medewerkers aan de TU München in Duitsland een nieuwe simulatieaanpak ontwikkeld voor het modelleren van de gehele gemoduleerde laserholte", zegt Senica. "Dit omvat het modelleren van het kwantumsysteem van de laser, de microgolfvoortplanting en het genereren van optische pulsjes-het combineren van drie verschillende domeinen binnen één enkele simulatiestudie, het nauwkeurig reproduceren van de experimentele resultaten en het verschaffen van cruciale inzichten in de laserdynamica."
Communicatie-, spectroscopie- en detectietoepassingen in de toekomst
Dankzij hun continu en breed afstembare modellocked lasers zijn er veel potentiële toepassingen voor communicatie, spectroscopie en detectie. "Voor het tijdsdomein kan de coherente pulstrein worden gesynchroniseerd met een willekeurig extern microgolfsignaal of een afstembare vertragingslijn", zegt Senica. "Voor het frequentiedomein kan de afstembare modusafstand binnen de frequentiekam alle spectrale gaten dichten."
Senica en collega's hebben zelfs al een absorptiespectroscopie-experiment gedemonstreerd waarvoor slechts een eenvoudige intensiteitsdetector nodig was-in plaats van een spectrometer op tafelmodel-.
"Wij geloven dat onze aanpak relatief eenvoudig te implementeren zal zijn met andere soorten halfgeleiderlasers in de infrarode en zichtbare gebieden van het elektromagnetische spectrum en de weg zal vrijmaken voor een breed scala aan toepassingen", zegt Senica. "Een belangrijk aspect zullen de geoptimaliseerde microgolfeigenschappen zijn, samen met de geavanceerde verpakking van dergelijke apparaten."
