Afastando-se das abordagens padrão de modelocking, uma equipe de pesquisadores liderada pelos professores Giacomo Scalari e Jerome Faist no Departamento de Física da ETH Zurique, e pelo professor Christian Jirauschek da Universidade Técnica de Munique, criou um laser semicondutor monolítico modelocked com uma taxa de repetição contínua e amplamente ajustável de 4 a 16 GHz. E, curiosamente, sua abordagem deve funcionar para outros lasers semicondutores e comprimentos de onda de emissão de laser.
Para conseguir isso, os pesquisadores usaram um laser quântico em cascata (QCL) de terahertz (THz) para produzir pentes de frequência coerentes. Embora seja bem sabido que QCLs THz podem ser usados para gerar pentes, o recente desenvolvimento da equipe de QCLs THz planarizados com propriedades de micro-ondas aprimoradas os encorajou a explorar a forte modulação da cavidade do laser usando microondas externas-e eles descobriram vários novos regimes de operação de laser semicondutor.
"Nosso dispositivo é baseado em um QCL THz planarizado. Seu material de região ativa consiste em uma superrede de arsenieto de gálio (GaAs)/arsenieto de gálio e alumínio (AlGaAs), wafer-ligado a um substrato portador de GaAs", explica Urban Senica, que na época era Ph.D. estudante na ETH Zurich, mas agora é pós-doutorado no Laboratório de Óptica em Nanoescala da Universidade de Harvard. "Usando fotolitografia e gravação a seco, um guia de ondas de crista ativo é definido e subsequentemente planarizado com o polímero de baixa-perda benzociclobuteno (BCB). Um guia de ondas é imprensado verticalmente entre duas camadas de metalização estendidas, que confinam os modos óptico e de microondas e atuam como contatos elétricos para polarizar o dispositivo a laser. "
Essa configuração resulta em baixas perdas de propagação, reduz a dispersão cromática, aumenta a dissipação de calor e melhora as propriedades de micro-ondas, porque o laser é incorporado em um guia de ondas de micro-ondas de baixa-perda e baixa{1}}impedância.
Modelagem ativa
O método da equipe é baseado no modelocking ativo, que envolve a modulação da tensão de polarização do laser por meio de um sinal elétrico externo para gerar um trem de pulsos ópticos curtos e coerentes (um pente de frequência). Nas demonstrações anteriores, isso só funcionava se a frequência do sinal de modulação estivesse sincronizada com o tempo que a luz leva para viajar entre os dois espelhos do laser (é fixado pelas dimensões da cavidade física).
“Demonstramos um regime completamente novo, no qual podemos ajustar contínua e amplamente a frequência da taxa de repetição do trem de pulsos em até 400%”, diz Senica. "Essa extraordinária sintonização é alcançada formando uma oscilação permanente de micro-ondas ao longo de toda a cavidade do laser, o que resulta em um efeito de tração de pulso que acelera ou desacelera o pulso óptico para estar sempre sincronizado com a frequência de modulação externa."
Controlando a velocidade dos pulsos ópticos no-chip por meio de micro-ondas
Um dos aspectos mais interessantes deste trabalho é que “podemos essencialmente controlar a velocidade dos pulsos ópticos em um chip fotônico com microondas”, diz Senica. "Em uma analogia simples, é semelhante a uma onda de água empurrando um surfista para frente. Em termos mais técnicos, há uma mudança de fase dependente da frequência-entre o micro-ondas e o pulso óptico, e o gradiente de ganho/perda resultante resulta em uma velocidade de grupo modificada do pulso óptico para que a nova taxa de repetição corresponda à frequência de micro-ondas externa. Um momento inovador foi quando conseguimos compreender completamente esse processo, com boa concordância entre os resultados experimentais e de simulação."
Todo este projeto é o culminar de vários anos de grandes avanços técnicos e científicos, incluindo o design e o crescimento da epitaxia do feixe molecular da região ativa do laser de banda larga; a simulação, fabricação e caracterização de QCLs THz planarizados; e extensas simulações analíticas e numéricas da cavidade do laser modulada.
Uma parte fundamental do trabalho da equipe envolveu simulações avançadas de seus dispositivos. “Em particular, nossos colaboradores na TU Munique, na Alemanha, desenvolveram uma nova abordagem de simulação para modelar toda a cavidade do laser modulada”, diz Senica. "Isso inclui modelar o sistema quântico do laser, a propagação de microondas e a geração de pulso óptico,-combinando três domínios diferentes em um único estudo de simulação, reproduzindo com precisão os resultados experimentais e fornecendo insights cruciais sobre a dinâmica do laser."
Comunicações, espectroscopia e aplicações de detecção à frente
Graças aos seus lasers modelados contínuos e amplamente ajustáveis, existem muitas aplicações potenciais para comunicações, espectroscopia e detecção. “Para o domínio do tempo, o trem de pulsos coerente pode ser sincronizado com um sinal de micro-ondas externo arbitrário ou uma linha de atraso sintonizável”, diz Senica. "Para o domínio da frequência, o espaçamento do modo sintonizável dentro do pente de frequência pode fechar quaisquer lacunas espectrais."
Na verdade, Senica e colegas já demonstraram um experimento de espectroscopia de absorção que exigia apenas um detector de intensidade simples,-em vez de um instrumento espectrômetro-de mesa.
“Acreditamos que nossa abordagem também será relativamente simples de implementar com outros tipos de lasers semicondutores nas regiões infravermelha e visível do espectro eletromagnético e abrirá caminho para uma ampla variedade de aplicações”, diz Senica. "Um aspecto importante será a otimização das propriedades de micro-ondas, juntamente com o empacotamento avançado de tais dispositivos."
