Diversamente dagli approcci standard al modellocking, un team di ricercatori guidato dai professori Giacomo Scalari e Jerome Faist del Dipartimento di Fisica dell'ETH di Zurigo e dal professor Christian Jirauschek dell'Università Tecnica di Monaco, ha creato un laser a semiconduttore monolitico con modellocking con una velocità di ripetizione continuamente e ampiamente regolabile da 4 a 16 GHz. E, cosa interessante, il loro approccio dovrebbe funzionare per altri laser a semiconduttore e lunghezze d’onda di emissione laser.
Per riuscirci, i ricercatori hanno utilizzato un laser a cascata quantistica (QCL) terahertz (THz) per produrre pettini di frequenza coerenti. Sebbene sia risaputo che i QCL THz possono essere utilizzati per generare pettini, il recente sviluppo da parte del team di QCL THz planarizzati con proprietà delle microonde migliorate li ha incoraggiati a esplorare la forte modulazione della cavità laser utilizzando microonde esterne-e hanno scoperto diversi nuovi regimi di funzionamento dei laser a semiconduttore.
"Il nostro dispositivo si basa su un QCL THz planarizzato. Il materiale della sua regione attiva è costituito da un superreticolo di arseniuro di gallio (GaAs)/alluminio arseniuro di gallio (AlGaAs), wafer-legato a un substrato portante GaAs", spiega Urban Senica, che all'epoca era un dottorato di ricerca. studente all'ETH di Zurigo, ma ora è ricercatore post-dottorato presso il Laboratorio di ottica su nanoscala dell'Università di Harvard. "Utilizzando la fotolitografia e l'incisione a secco, una guida d'onda a cresta attiva viene definita e successivamente planarizzata con il polimero benzociclobutene (BCB) a bassa-perdita. Una guida d'onda è inserita verticalmente tra due strati di metallizzazione estesi, che confinano le modalità ottica e microonde e agiscono come contatti elettrici per polarizzare il dispositivo laser."
Questa configurazione determina basse perdite di propagazione, riduce la dispersione cromatica, aumenta la dissipazione del calore e migliora le proprietà delle microonde, poiché il laser è incorporato all'interno di una guida d'onda a microonde a bassa-perdita e bassa-impedenza.
Blocco modello attivo
Il metodo del team si basa sul modellocking attivo, che prevede la modulazione della tensione di polarizzazione del laser tramite un segnale elettrico esterno per generare un treno di brevi impulsi ottici coerenti (un pettine di frequenza). Nelle dimostrazioni precedenti, questo funzionava solo se la frequenza del segnale di modulazione era sincronizzata con il tempo impiegato dalla luce per viaggiare tra i due specchi del laser (è fissato dalle dimensioni fisiche della cavità).
"Abbiamo dimostrato un regime completamente nuovo, in cui possiamo sintonizzare in modo continuo e ampio la frequenza di ripetizione del treno di impulsi fino al 400%", afferma Senica. "Questa straordinaria accordabilità si ottiene formando un'oscillazione stazionaria delle microonde lungo l'intera cavità del laser, che si traduce in un effetto di impulso che accelera o rallenta l'impulso ottico per essere sempre sincronizzato con la frequenza di modulazione esterna."
Controllo della velocità degli impulsi ottici su-chip tramite microonde
Uno degli aspetti più interessanti di questo lavoro è che "possiamo essenzialmente controllare la velocità degli impulsi ottici su un chip fotonico con le microonde", afferma Senica. "In una semplice analogia, è simile a un'onda d'acqua che spinge un surfista in avanti. In termini più tecnici, c'è uno sfasamento dipendente dalla frequenza- tra le microonde e l'impulso ottico e il gradiente di guadagno/perdita risultante si traduce in una velocità di gruppo modificata dell'impulso ottico in modo che la nuova frequenza di ripetizione corrisponda alla frequenza delle microonde esterne. Un momento rivoluzionario è stato quando siamo riusciti a comprendere appieno questo processo, con un buon accordo tra i risultati sperimentali e quelli della simulazione."
L'intero progetto è il culmine di diversi anni di importanti progressi tecnici e scientifici, tra cui la progettazione e la crescita epitassia del fascio molecolare della regione attiva del laser a banda larga; la simulazione, fabbricazione e caratterizzazione di QCL THz planarizzati; e ampie simulazioni analitiche e numeriche della cavità laser modulata.
Una parte fondamentale del lavoro del team prevedeva simulazioni avanzate dei loro dispositivi. "In particolare, i nostri collaboratori della TU di Monaco in Germania hanno sviluppato un nuovo approccio di simulazione per modellare l'intera cavità del laser modulato", afferma Senica. "Ciò include la modellazione del sistema quantistico del laser, della propagazione delle microonde e della generazione di impulsi ottici-combinando tre diversi domini all'interno di un unico studio di simulazione, riproducendo accuratamente i risultati sperimentali e fornendo informazioni cruciali sulla dinamica del laser."
Applicazioni di comunicazione, spettroscopia e rilevamento in vista
Grazie ai loro laser a modello bloccato continuamente e ampiamente sintonizzabili, ci sono molte potenziali applicazioni per le comunicazioni, la spettroscopia e il rilevamento. "Per quanto riguarda il dominio del tempo, il treno di impulsi coerente può essere sincronizzato con un segnale a microonde esterno arbitrario o con una linea di ritardo sintonizzabile", afferma Senica. "Per il dominio della frequenza, la spaziatura delle modalità sintonizzabili all'interno del pettine di frequenza può colmare eventuali lacune spettrali."
In effetti, Senica e colleghi hanno già dimostrato un esperimento di spettroscopia di assorbimento che richiedeva solo un semplice rilevatore di intensità-piuttosto che uno spettrometro da tavolo-delle dimensioni di uno strumento.
"Crediamo che il nostro approccio sarà relativamente semplice da implementare anche con altri tipi di laser a semiconduttore nelle regioni dell'infrarosso e del visibile dello spettro elettromagnetico e aprirà la strada a un'ampia varietà di applicazioni", afferma Senica. "Un aspetto importante sarà l'ottimizzazione delle proprietà delle microonde, insieme al confezionamento avanzato di tali dispositivi."
