Standart model kilitleme yaklaşımlarından farklı olarak, ETH Zürih Fizik Bölümü'nden Profesörler Giacomo Scalari ve Jerome Faist ile Münih Teknik Üniversitesi'nden Profesör Christian Jirauschek liderliğindeki bir araştırmacı ekibi, 4 ila 16 GHz arasında sürekli ve geniş çapta ayarlanabilir tekrarlama hızına sahip monolitik model kilitlemeli yarı iletken lazer yarattı. Ve ilginç bir şekilde, yaklaşımları diğer yarı iletken lazerler ve lazer emisyon dalga boyları için de işe yaramalı.
Bunu gerçekleştirmek için araştırmacılar tutarlı frekans tarakları üretmek amacıyla terahertz (THz) kuantum kademeli lazer (QCL) kullandılar. THz QCL'lerin tarak üretmek için kullanılabileceği iyi bilinmesine rağmen, ekibin iyileştirilmiş mikrodalga özelliklerine sahip düzlemsel THz QCL'leri yakın zamanda geliştirmesi, onları harici mikrodalgalar kullanarak lazer boşluğunun güçlü modülasyonunu keşfetmeye teşvik etti- ve yarı iletken lazer işleminin birkaç yeni rejimini keşfettiler.
O zamanlar doktora öğrencisi olan Urban Senica şöyle açıklıyor: "Cihazımız düzlemselleştirilmiş bir THz QCL'ye dayanıyor. Aktif bölge malzemesi, bir GaAs taşıyıcı alt tabakaya bağlanmış bir galyum arsenit (GaAs)/alüminyum galyum arsenit (AlGaAs) süper örgüsünden oluşur, levha-. ETH Zürih'te öğrenci ama şu anda Harvard Üniversitesi Nano Ölçekli Optik Laboratuvarı'nda doktora sonrası araştırmacı olarak çalışıyor. "Fotolitografi ve kuru aşındırma kullanılarak, aktif bir sırt dalga kılavuzu tanımlanır ve ardından düşük- kayıplı polimer benzosiklobüten (BCB) ile düzlemselleştirilir. Bir dalga kılavuzu, optik ve mikrodalga modlarını sınırlandıran ve lazer cihazını yönlendirmek için elektrik kontakları görevi gören iki uzatılmış metalizasyon katmanı arasına dikey olarak sıkıştırılır."
Lazer düşük{0}}kayıplı, düşük-empedanslı bir mikrodalga dalga kılavuzu içine gömülü olduğundan, bu konfigürasyon düşük yayılma kayıplarına neden olur, kromatik dağılımı azaltır, ısı dağılımını artırır ve mikrodalga özelliklerini geliştirir.
Aktif model kilitleme
Ekibin yöntemi, tutarlı kısa optik darbelerden oluşan bir dizi (bir frekans tarağı) oluşturmak için lazer yanlılık voltajının harici bir elektrik sinyali yoluyla modüle edilmesini içeren aktif model kilitlemeye dayanmaktadır. Önceki gösterimlerde, bu yalnızca modülasyon sinyalinin frekansı, ışığın lazerin iki aynası arasında hareket etmesi için gereken süre ile senkronize edildiğinde işe yaradı (fiziksel boşluk boyutlarıyla sabitlenmiştir).
Senica, "Darbe dizisinin tekrarlama oranı frekansını sürekli ve geniş çapta %400'e kadar ayarlayabildiğimiz tamamen yeni bir rejim gösterdik" diyor. "Bu olağanüstü ayarlanabilirlik, tüm lazer boşluğu boyunca sabit bir mikrodalga salınımı oluşturularak elde ediliyor; bu, optik darbeyi her zaman harici modülasyon frekansıyla senkronize olacak şekilde hızlandıran veya yavaşlatan bir darbe çekme etkisi ile sonuçlanıyor."
Mikrodalgalar aracılığıyla-çip üzerindeki optik darbelerin hızını kontrol etme
Senica, bu çalışmanın en harika yönlerinden birinin "fotonik çip üzerindeki optik darbelerin hızını mikrodalgalarla kontrol edebilmemiz" olduğunu söylüyor. "Basit bir benzetmeyle, bu, bir sörfçüyü ileri doğru iten bir su dalgasına benzer. Daha teknik bir ifadeyle, mikrodalga ile optik darbe arasında frekansa-bağlı bir faz kayması vardır ve bunun sonucunda ortaya çıkan kazanç/kayıp gradyanı, optik darbenin değiştirilmiş bir grup hızıyla sonuçlanır, böylece yeni tekrarlama oranı harici mikrodalga frekansıyla eşleşir. Bir dönüm noktası, deney ve simülasyon sonuçları arasında iyi bir uyumla bu süreci tam olarak anlayabildiğimiz zamandı."
Bu projenin tamamı, geniş bant lazer aktif bölgesinin tasarımı ve moleküler ışın epitaksi büyümesi de dahil olmak üzere birkaç yıl süren büyük teknik ve bilimsel gelişmelerin bir sonucudur; düzlemselleştirilmiş THz QCL'lerin simülasyonu, üretimi ve karakterizasyonu; ve modüle edilmiş lazer boşluğunun kapsamlı analitik ve sayısal simülasyonları.
Ekibin çalışmalarının önemli bir kısmı, cihazlarının gelişmiş simülasyonlarını içeriyordu. Senica, "Özellikle Almanya'daki TU Münih'teki işbirlikçilerimiz modüle edilmiş lazer boşluğunun tamamını modellemek için yeni bir simülasyon yaklaşımı geliştirdi" diyor. "Bu, lazerin kuantum sisteminin modellenmesini, mikrodalga yayılımını ve optik darbe oluşumunun-tek bir simülasyon çalışmasında üç farklı alanı birleştirmesini, deneysel sonuçların doğru bir şekilde yeniden üretilmesini ve lazer dinamikleri hakkında önemli bilgiler sağlamayı içermektedir."
Gelecekteki iletişim, spektroskopi ve algılama uygulamaları
Sürekli ve geniş çapta ayarlanabilen model kilitlemeli lazerleri sayesinde iletişim, spektroskopi ve algılama için birçok potansiyel uygulama vardır. Senica, "Zaman alanı için tutarlı darbe dizisi, isteğe bağlı bir harici mikrodalga sinyaline veya ayarlanabilir gecikme hattına senkronize edilebilir" diyor. "Frekans alanı için, frekans tarağı içindeki ayarlanabilir mod aralığı, herhangi bir spektral boşluğu kapatabilir."
Aslında Senica ve meslektaşları, masa üstü-boyutlu bir spektrometre cihazı yerine yalnızca basit bir yoğunluk dedektörü-gerektiren bir absorpsiyon spektroskopisi deneyini zaten göstermişlerdi.
Senica, "Yaklaşımımızın, elektromanyetik spektrumun kızılötesi ve görünür bölgeleri boyunca diğer yarı iletken lazer türleriyle uygulanmasının da nispeten basit olacağına ve çok çeşitli uygulamaların önünü açacağına inanıyoruz" diyor. "Önemli bir husus, bu tür cihazların gelişmiş ambalajlanmasıyla birlikte mikrodalga özelliklerinin optimize edilmesi olacaktır."
