Berbeda dengan pendekatan pemodelan standar, tim peneliti yang dipimpin oleh Profesor Giacomo Scalari dan Jerome Faist di Departemen Fisika di ETH Zurich, dan Profesor Christian Jirauschek di Universitas Teknik Munich, menciptakan laser semikonduktor model terkunci monolitik dengan tingkat pengulangan yang dapat disetel secara terus menerus dan luas dari 4 hingga 16 GHz. Dan, yang menarik, pendekatan mereka seharusnya bisa diterapkan pada laser semikonduktor dan panjang gelombang emisi laser lainnya.
Untuk melakukannya, para peneliti menggunakan laser kaskade kuantum (QCL) terahertz (THz) untuk menghasilkan sisir frekuensi yang koheren. Meskipun THz QCL diketahui dapat digunakan untuk menghasilkan sisir, pengembangan terbaru tim terhadap THz QCL planar dengan sifat gelombang mikro yang ditingkatkan mendorong mereka untuk mengeksplorasi modulasi kuat rongga laser menggunakan gelombang mikro eksternal-dan mereka menemukan beberapa cara baru pengoperasian laser semikonduktor.
"Perangkat kami didasarkan pada THz QCL planar. Bahan wilayah aktifnya terdiri dari superlattice gallium arsenide (GaAs)/aluminium gallium arsenide (AlGaAs), wafer-yang terikat pada substrat pembawa GaAs," jelas Urban Senica, yang saat itu bergelar Ph.D. mahasiswa di ETH Zurich tetapi sekarang menjadi rekan pascadoktoral di Laboratorium Optik Skala Nano Universitas Harvard. "Dengan menggunakan fotolitografi dan etsa kering, pandu gelombang punggungan aktif ditentukan dan selanjutnya diplanarkan dengan polimer benzocyclobutene (BCB) dengan kerugian rendah. Pandu gelombang diapit secara vertikal di antara dua lapisan metalisasi yang diperluas, yang membatasi mode optik dan gelombang mikro dan bertindak sebagai kontak listrik untuk membiaskan perangkat laser."
Konfigurasi ini menghasilkan kerugian propagasi yang rendah, mengurangi dispersi kromatik, meningkatkan pembuangan panas, dan meningkatkan sifat gelombang mikro, karena laser tertanam dalam pandu gelombang gelombang mikro-kehilangan,-impedansi rendah.
Pemodelan aktif
Metode tim ini didasarkan pada pemodelan aktif, yang melibatkan modulasi tegangan bias laser melalui sinyal listrik eksternal untuk menghasilkan rangkaian pulsa optik pendek yang koheren (sisir frekuensi). Dalam demonstrasi sebelumnya, ini hanya berhasil jika frekuensi sinyal modulasi disinkronkan dengan waktu yang dibutuhkan cahaya untuk bergerak antara dua cermin laser (ditentukan oleh dimensi rongga fisik).
“Kami mendemonstrasikan sistem yang benar-benar baru, di mana kami dapat secara terus menerus dan luas menyesuaikan frekuensi tingkat pengulangan rangkaian pulse sebanyak 400%,” kata Senica. Tunabilitas luar biasa ini dicapai dengan membentuk osilasi gelombang mikro berdiri di sepanjang rongga laser, yang menghasilkan efek penarikan pulsa yang mempercepat atau memperlambat pulsa optik agar selalu disinkronkan dengan frekuensi modulasi eksternal.
Mengontrol kecepatan pulsa optik pada-chip melalui gelombang mikro
Salah satu aspek paling keren dari pekerjaan ini adalah “kita pada dasarnya dapat mengontrol kecepatan pulsa optik pada chip fotonik dengan gelombang mikro,” kata Senica. "Dalam analogi sederhana, hal ini mirip dengan gelombang air yang mendorong peselancar ke depan. Dalam istilah yang lebih teknis, terdapat pergeseran fase yang bergantung pada frekuensi antara gelombang mikro dan pulsa optik, dan gradien keuntungan/kerugian yang dihasilkan menghasilkan kecepatan kelompok pulsa optik yang dimodifikasi sehingga tingkat pengulangan yang baru sesuai dengan frekuensi gelombang mikro eksternal. Momen terobosannya adalah ketika kami dapat sepenuhnya memahami proses ini, dengan kesesuaian yang baik antara hasil eksperimen dan simulasi."
Keseluruhan proyek ini merupakan puncak dari kemajuan teknis dan ilmiah besar selama beberapa tahun, termasuk desain dan pertumbuhan epitaksi berkas molekul di wilayah aktif laser broadband; simulasi, fabrikasi, dan karakterisasi QCL THz planar; dan simulasi analitik dan numerik ekstensif dari rongga laser termodulasi.
Bagian penting dari pekerjaan tim melibatkan simulasi tingkat lanjut pada perangkat mereka. “Secara khusus, kolaborator kami di TU Munich di Jerman mengembangkan pendekatan simulasi baru untuk memodelkan seluruh rongga laser termodulasi,” kata Senica. "Hal ini mencakup pemodelan sistem kuantum laser, propagasi gelombang mikro, dan pembangkitan pulsa optik-yang menggabungkan tiga domain berbeda dalam satu studi simulasi, yang secara akurat mereproduksi hasil eksperimen dan memberikan wawasan penting mengenai dinamika laser."
Aplikasi komunikasi, spektroskopi, dan penginderaan di masa depan
Berkat laser modelocked yang terus menerus dan dapat disetel secara luas, terdapat banyak aplikasi potensial untuk komunikasi, spektroskopi, dan penginderaan. “Untuk domain waktu, rangkaian pulsa yang koheren dapat disinkronkan ke sinyal gelombang mikro eksternal yang berubah-ubah atau garis tunda yang dapat disetel,” kata Senica. "Untuk domain frekuensi, jarak mode merdu dalam sisir frekuensi dapat menutup kesenjangan spektral."
Faktanya, Senica dan rekannya telah mendemonstrasikan eksperimen spektroskopi serapan yang hanya memerlukan detektor intensitas sederhana-bukan instrumen spektrometer berukuran meja-.
“Kami yakin pendekatan kami juga akan relatif mudah untuk diterapkan dengan jenis laser semikonduktor lainnya di seluruh wilayah spektrum elektromagnetik inframerah dan tampak serta membuka jalan bagi beragam aplikasi,” kata Senica. “Aspek penting adalah sifat gelombang mikro yang dioptimalkan, serta pengemasan canggih dari perangkat tersebut.”
