In Abkehr von herkömmlichen Modenkopplungsansätzen hat ein Forscherteam unter der Leitung der Professoren Giacomo Scalari und Jerome Faist vom Departement Physik der ETH Zürich und Professor Christian Jirauschek von der Technischen Universität München einen monolithischen modenverriegelten Halbleiterlaser mit einer kontinuierlich und weitgehend einstellbaren Wiederholungsrate von 4 bis 16 GHz entwickelt. Und interessanterweise sollte ihr Ansatz auch für andere Halbleiterlaser und Laseremissionswellenlängen funktionieren.
Um dies zu erreichen, verwendeten die Forscher einen Terahertz (THz)-Quantenkaskadenlaser (QCL), um kohärente Frequenzkämme zu erzeugen. Während es allgemein bekannt ist, dass THz-QCLs zur Erzeugung von Kämmen verwendet werden können, ermutigte die jüngste Entwicklung planarisierter THz-QCLs mit verbesserten Mikrowelleneigenschaften das Team dazu, die starke Modulation des Laserhohlraums mithilfe externer Mikrowellen zu untersuchen-und sie entdeckten mehrere neuartige Regime des Halbleiterlaserbetriebs.
„Unser Gerät basiert auf einem planarisierten THz-QCL. Das Material seines aktiven Bereichs besteht aus einem Galliumarsenid (GaAs)/Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs)-Übergitter, das an ein GaAs-Trägersubstrat gebunden ist“, erklärt Urban Senica, der damals promovierte. Student an der ETH Zürich, ist aber jetzt Postdoktorand am Laboratory for Nanoscale Optics der Harvard University. „Durch den Einsatz von Photolithographie und Trockenätzen wird ein aktiver Stegwellenleiter definiert und anschließend mit dem verlustarmen Polymer Benzocyclobuten (BCB) planarisiert. Ein Wellenleiter wird vertikal zwischen zwei ausgedehnten Metallisierungsschichten eingelegt, die den optischen und den Mikrowellenmodus begrenzen und als elektrische Kontakte zum Vorspannen des Lasergeräts dienen.“
Um dies zu erreichen, verwendeten die Forscher einen Terahertz (THz)-Quantenkaskadenlaser (QCL), um kohärente Frequenzkämme zu erzeugen. Während es allgemein bekannt ist, dass THz-QCLs zur Erzeugung von Kämmen verwendet werden können, ermutigte die jüngste Entwicklung planarisierter THz-QCLs mit verbesserten Mikrowelleneigenschaften das Team dazu, die starke Modulation des Laserhohlraums mithilfe externer Mikrowellen zu untersuchen-und sie entdeckten mehrere neuartige Regime des Halbleiterlaserbetriebs.
„Unser Gerät basiert auf einem planarisierten THz-QCL. Das Material seines aktiven Bereichs besteht aus einem Galliumarsenid (GaAs)/Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs)-Übergitter, das an ein GaAs-Trägersubstrat gebunden ist“, erklärt Urban Senica, der damals promovierte. Student an der ETH Zürich, ist aber jetzt Postdoktorand am Laboratory for Nanoscale Optics der Harvard University. „Durch den Einsatz von Photolithographie und Trockenätzen wird ein aktiver Stegwellenleiter definiert und anschließend mit dem verlustarmen Polymer Benzocyclobuten (BCB) planarisiert. Ein Wellenleiter wird vertikal zwischen zwei ausgedehnten Metallisierungsschichten eingelegt, die den optischen und den Mikrowellenmodus begrenzen und als elektrische Kontakte zum Vorspannen des Lasergeräts dienen.“
Kommunikations-, Spektroskopie- und Sensoranwendungen stehen bevor
Dank ihrer kontinuierlich und umfassend abstimmbaren modengekoppelten Laser gibt es viele potenzielle Anwendungen für Kommunikation, Spektroskopie und Sensorik. „Für den Zeitbereich kann die kohärente Impulsfolge mit einem beliebigen externen Mikrowellensignal oder einer abstimmbaren Verzögerungsleitung synchronisiert werden“, sagt Senica. „Für den Frequenzbereich kann der abstimmbare Modenabstand innerhalb des Frequenzkamms etwaige spektrale Lücken schließen.“
Tatsächlich haben Senica und Kollegen bereits ein Absorptionsspektroskopieexperiment demonstriert, für das nur ein einfacher Intensitätsdetektor-anstelle eines Spektrometers in Tischgröße-erforderlich war.
„Wir glauben, dass sich unser Ansatz auch relativ einfach mit anderen Arten von Halbleiterlasern im Infrarot- und sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums umsetzen lässt und den Weg für eine Vielzahl von Anwendungen ebnet“, sagt Senica. „Ein wichtiger Aspekt werden optimierte Mikrowelleneigenschaften sowie eine fortschrittliche Verpackung solcher Geräte sein.“
