A diferència dels enfocaments de modelatge estàndard, un equip d'investigadors dirigit pels professors Giacomo Scalari i Jerome Faist del Departament de Física de l'ETH Zurich i el professor Christian Jirauschek de la Universitat Tècnica de Munic, va crear un làser semiconductor monolític amb una freqüència de repetició ajustable de 4 a 16 GHz. I, curiosament, el seu enfocament hauria de funcionar per a altres làsers semiconductors i longituds d'ona d'emissió làser.
Per aconseguir-ho, els investigadors van utilitzar un làser de cascada quàntica (QCL) de terahertz (THz) per produir pintes de freqüència coherents. Tot i que és ben sabut que els QCL THz es poden utilitzar per generar pintes, el desenvolupament recent de l'equip de QCL THz planaritzats amb propietats de microones millorades els va animar a explorar la forta modulació de la cavitat làser mitjançant microones externes-i van descobrir diversos règims nous d'operació làser de semiconductors.
"El nostre dispositiu es basa en un QCL THz planaritzat. El seu material de regió activa consisteix en un superreixat d'arsenur de gal·li (GaAs) / arsenur de gal·li d'alumini (AlGaAs), hòstia-unida a un substrat portador de GaAs", explica Urban Senica, que en aquell moment era doctorat. estudiant a l'ETH Zurich, però ara és becari postdoctoral al Laboratori d'Òptica a nanoescala de la Universitat de Harvard. "Mitjançant la fotolitografia i el gravat en sec, es defineix una guia d'ona de cresta activa i posteriorment es planaritza amb el benzociclobutè de polímer de baixa -pèrdua (BCB). Una guia d'ones s'intercala verticalment entre dues capes de metal·lització esteses, que limiten els modes òptics i de microones i actuen com a contactes elèctrics per esbiaixar el dispositiu làser".
Aquesta configuració provoca pèrdues de propagació baixes, redueix la dispersió cromàtica, augmenta la dissipació de calor i millora les propietats del microones, perquè el làser està incrustat dins d'una guia d'ones de microones de baixa-pèrdua i baixa-impedància.
Modeling actiu
El mètode de l'equip es basa en el modelcking actiu, que consisteix a modular la tensió de polarització del làser mitjançant un senyal elèctric extern per generar un tren de polsos òptics curts coherents (una pinta de freqüència). En demostracions anteriors, això només funcionava si la freqüència del senyal de modulació estava sincronitzada amb el temps que triga la llum a viatjar entre els dos miralls del làser (es fixa per les dimensions de la cavitat física).
"Hem demostrat un règim completament nou, en el qual podem ajustar de manera contínua i àmplia la freqüència de la freqüència de repetició del tren de polsos fins a un 400%", diu Senica. "Aquesta sintonització extraordinària s'aconsegueix formant una oscil·lació de microones permanent al llarg de tota la cavitat del làser, que es tradueix en un efecte d'extracció del pols que accelera o alenteix el pols òptic per estar sempre sincronitzat amb la freqüència de modulació externa".
Control de la velocitat dels polsos òptics en-xip mitjançant microones
Un dels aspectes més interessants d'aquest treball és que "essencialment podem controlar la velocitat dels polsos òptics en un xip fotònic amb microones", diu Senica. "En una analogia senzilla, és semblant a una ona d'aigua que empènyer un surfista cap endavant. En termes més tècnics, hi ha un canvi de fase depenent de la freqüència- entre el microones i el pols òptic, i el gradient de guany/pèrdua resultant dóna com a resultat una velocitat de grup modificada del pols òptic de manera que la nova taxa de repetició coincideixi amb la freqüència de microones externa. resultats de la simulació".
Tot aquest projecte és la culminació de diversos anys de grans avenços tècnics i científics, inclòs el disseny i el creixement de l'epitaxi del feix molecular de la regió activa del làser de banda ampla; la simulació, fabricació i caracterització de QCL THz planaritzats; i àmplies simulacions analítiques i numèriques de la cavitat làser modulada.
Una part clau del treball de l'equip va implicar simulacions avançades dels seus dispositius. "En particular, els nostres col·laboradors de TU Munich a Alemanya van desenvolupar un nou enfocament de simulació per modelar tota la cavitat làser modulada", diu Senica. "Això inclou modelar el sistema quàntic del làser, la propagació de microones i la generació de polsos òptics-combinant tres dominis diferents dins d'un únic estudi de simulació, reproduint amb precisió els resultats experimentals i proporcionant informació crucial sobre la dinàmica del làser".
Comunicacions, espectroscòpia i aplicacions de detecció per endavant
Gràcies als seus làsers modelats de forma contínua i àmpliament ajustables, hi ha moltes aplicacions potencials per a comunicacions, espectroscòpia i detecció. "Per al domini del temps, el tren de polsos coherent es pot sincronitzar amb un senyal de microones extern arbitrari o una línia de retard ajustable", diu Senica. "Per al domini de la freqüència, l'espaiat del mode ajustable dins de la pinta de freqüència pot tancar qualsevol buit espectral".
De fet, Senica i els seus col·legues ja van demostrar un experiment d'espectroscòpia d'absorció que només requeria un simple detector d'intensitat-en lloc d'un instrument d'espectròmetre de mida-taula.
"Creiem que el nostre enfocament també serà relativament senzill d'implementar amb altres tipus de làsers semiconductors a les regions infrarojes i visibles de l'espectre electromagnètic i obrirà el camí per a una gran varietat d'aplicacions", diu Senica. "Un aspecte important seran les propietats optimitzades del microones, juntament amb l'embalatge avançat d'aquests dispositius".
