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. Obwohl 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.“
Diese Konfiguration führt zu geringen Ausbreitungsverlusten, reduziert die chromatische Dispersion, erhöht die Wärmeableitung und verbessert die Mikrowelleneigenschaften, da der Laser in einen Mikrowellenwellenleiter mit geringem Verlust und niedriger Impedanz eingebettet ist.
Aktive Modenkopplung
Die Methode des Teams basiert auf aktiver Modenkopplung, bei der die Laservorspannung über ein externes elektrisches Signal moduliert wird, um eine Folge kohärenter kurzer optischer Impulse (einen Frequenzkamm) zu erzeugen. In früheren Demonstrationen funktionierte dies nur, wenn die Frequenz des Modulationssignals mit der Zeit synchronisiert war, die das Licht benötigt, um sich zwischen den beiden Spiegeln des Lasers zu bewegen (dies ist durch die physikalischen Abmessungen des Hohlraums festgelegt).
„Wir haben ein völlig neuartiges Regime demonstriert, bei dem wir die Wiederholungsfrequenz der Pulsfolge kontinuierlich und weitreichend um bis zu 400 % anpassen können“, sagt Senica. „Diese außergewöhnliche Abstimmbarkeit wird durch die Bildung einer stehenden Mikrowellenschwingung entlang der gesamten Laserkavität erreicht, die zu einem Impulszieheffekt führt, der den optischen Impuls beschleunigt oder verlangsamt, sodass er immer mit der externen Modulationsfrequenz synchronisiert ist.“
Steuerung der Geschwindigkeit von optischen Impulsen auf dem Chip mithilfe von Mikrowellen
Einer der coolsten Aspekte dieser Arbeit ist: „Wir können die Geschwindigkeit optischer Impulse auf einem photonischen Chip im Wesentlichen mit Mikrowellen steuern“, sagt Senica. „In einer einfachen Analogie ähnelt es einer Wasserwelle, die einen Surfer vorwärts treibt. Technisch ausgedrückt gibt es eine frequenzabhängige Phasenverschiebung zwischen der Mikrowelle und dem optischen Impuls, und der daraus resultierende Gewinn-/Verlustgradient führt zu einer veränderten Gruppengeschwindigkeit des optischen Impulses, sodass die neue Wiederholungsrate mit der externen Mikrowellenfrequenz übereinstimmt. Ein Durchbruch war, als wir diesen Prozess vollständig verstehen konnten, mit guter Übereinstimmung zwischen den experimentellen und den Simulationsergebnissen.“
Dieses gesamte Projekt ist der Höhepunkt mehrerer Jahre bedeutender technischer und wissenschaftlicher Fortschritte, einschließlich des Designs und des Molekularstrahlepitaxie-Wachstums des aktiven Breitbandlaserbereichs; die Simulation, Herstellung und Charakterisierung planarisierter THz-QCLs; und umfangreiche analytische und numerische Simulationen des modulierten Laserhohlraums.
Ein wichtiger Teil der Arbeit des Teams umfasste fortgeschrittene Simulationen ihrer Geräte. „Insbesondere unsere Mitarbeiter an der TU München in Deutschland haben einen neuen Simulationsansatz zur Modellierung des gesamten modulierten Laserhohlraums entwickelt“, sagt Senica. „Dazu gehört die Modellierung des Quantensystems des Lasers, der Mikrowellenausbreitung und der Erzeugung optischer Impulse-, die Kombination dreier verschiedener Domänen in einer einzigen Simulationsstudie, die genaue Reproduktion der experimentellen Ergebnisse und die Bereitstellung entscheidender Einblicke in die Laserdynamik.“
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 infraroten 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.“
