ในการออกจากแนวทางการสร้างแบบจำลองมาตรฐาน ทีมนักวิจัยที่นำโดยศาสตราจารย์ Giacomo Scalari และ Jerome Faist ในภาควิชาฟิสิกส์ที่ ETH Zurich และศาสตราจารย์ Christian Jirauschek จากมหาวิทยาลัยเทคนิคแห่งมิวนิค ได้สร้างเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบเสาหินที่มีแบบจำลองเสาหิน โดยมีอัตราการทำซ้ำอย่างต่อเนื่องและกว้างขวางตั้งแต่ 4 ถึง 16 GHz และสิ่งที่น่าสนใจคือแนวทางของพวกเขาควรใช้กับเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์อื่น ๆ และความยาวคลื่นการปล่อยเลเซอร์
เพื่อดึงมันออกมา นักวิจัยได้ใช้เลเซอร์ควอนตัมคาสเคดเลเซอร์ (QCL) เทราเฮิร์ตซ์ (THz) เพื่อสร้างหวีความถี่ที่สอดคล้องกัน แม้จะทราบกันดีอยู่แล้วว่า THz QCL สามารถใช้สร้างรวงผึ้งได้ แต่การพัฒนา THz QCL แบบวางแผนเมื่อเร็วๆ นี้ของทีมซึ่งมีคุณสมบัติไมโครเวฟที่ได้รับการปรับปรุงได้กระตุ้นให้พวกเขาสำรวจการมอดูเลตที่แข็งแกร่งของช่องเลเซอร์โดยใช้ไมโครเวฟภายนอก- และพวกเขาก็ค้นพบรูปแบบใหม่ของการทำงานของเซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์
"อุปกรณ์ของเรามีพื้นฐานจาก THz QCL ที่วางแผนไว้ วัสดุบริเวณแอคทีฟของมันประกอบด้วยแกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs)/อะลูมิเนียมแกลเลียมอาร์เซไนด์ (AlGaAs) ซูเปอร์แลตติซ เวเฟอร์-ที่เชื่อมกับสารตั้งต้นตัวพา GaAs" Urban Senica ผู้ซึ่งสำเร็จการศึกษาระดับปริญญาเอกในขณะนั้นอธิบาย เป็นนักศึกษาที่ ETH Zurich แต่ปัจจุบันเป็นนักศึกษาหลังปริญญาเอกที่ห้องทดลองด้านเลนส์ระดับนาโนของมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด "ด้วยการใช้โฟโตลิโทกราฟีและการกัดแบบแห้ง ท่อนำคลื่นแนวแอคทีฟจะถูกกำหนดและต่อมาถูกวางผังด้วยโพลีเมอร์เบนโซไซโคลบิวทีน (BCB) ที่สูญเสีย- ท่อนำคลื่นถูกประกบในแนวตั้งระหว่างชั้นโลหะที่ขยายออกไปสองชั้น ซึ่งจำกัดโหมดออปติคัลและโหมดไมโครเวฟ และทำหน้าที่เป็นหน้าสัมผัสทางไฟฟ้าสำหรับการไบแอสอุปกรณ์เลเซอร์"
การกำหนดค่านี้ส่งผลให้เกิดการสูญเสียการแพร่กระจายต่ำ ลดการกระจายตัวของสี เพิ่มการกระจายความร้อน และปรับปรุงคุณสมบัติของไมโครเวฟ เนื่องจากเลเซอร์ถูกฝังอยู่ภายในท่อนำคลื่นไมโครเวฟ-การสูญเสียต่ำ -อิมพีแดนซ์ต่ำ
การล็อกโมเดลที่ใช้งานอยู่
วิธีการของทีมขึ้นอยู่กับการสร้างแบบจำลองที่ใช้งานอยู่ ซึ่งเกี่ยวข้องกับการปรับแรงดันไบแอสของเลเซอร์ผ่านสัญญาณไฟฟ้าภายนอกเพื่อสร้างขบวนพัลส์แสงสั้นที่สอดคล้องกัน (หวีความถี่) ในการสาธิตครั้งก่อน การดำเนินการนี้จะได้ผลก็ต่อเมื่อความถี่ของสัญญาณมอดูเลชั่นซิงโครไนซ์กับเวลาที่แสงใช้ในการเคลื่อนที่ระหว่างกระจกทั้งสองของเลเซอร์ (กำหนดโดยขนาดช่องทางกายภาพ)
"เราได้แสดงให้เห็นถึงระบอบการปกครองที่แปลกใหม่ โดยที่เราสามารถปรับความถี่อัตราการทำซ้ำของพัลส์เทรนได้อย่างต่อเนื่องและกว้างขวางได้มากถึง 400%" เซนิกากล่าว "ความสามารถในการปรับแต่งพิเศษนี้ทำได้โดยการสร้างการสั่นของไมโครเวฟแบบยืนตลอดช่องเลเซอร์ทั้งหมด ซึ่งส่งผลให้เกิดการดึงพัลส์ที่เพิ่มความเร็วหรือช้าลงพัลส์แสงเพื่อให้ซิงโครไนซ์กับความถี่มอดูเลตภายนอกเสมอ"
การควบคุมความเร็วของพัลส์ออปติคัลบนชิป-ผ่านไมโครเวฟ
หนึ่งในแง่มุมที่ยอดเยี่ยมที่สุดของงานนี้คือ "เราสามารถควบคุมความเร็วของพัลส์แสงบนชิปโฟโตนิกด้วยไมโครเวฟได้" Senica กล่าว "ในการเปรียบเทียบง่ายๆ ก็คล้ายกับคลื่นน้ำที่ผลักนักโต้คลื่นไปข้างหน้า ในแง่ทางเทคนิคมากขึ้น มีความถี่-การเปลี่ยนเฟสขึ้นอยู่กับความถี่ระหว่างไมโครเวฟและพัลส์เชิงแสง และการไล่ระดับเกน/สูญเสียที่เกิดขึ้นส่งผลให้เกิดความเร็วกลุ่มที่ได้รับการปรับเปลี่ยนของพัลส์แสง เพื่อให้อัตราการเกิดซ้ำใหม่ตรงกับความถี่ไมโครเวฟภายนอก ช่วงเวลาที่ก้าวหน้าเกิดขึ้นเมื่อเราสามารถเข้าใจกระบวนการนี้ได้อย่างถ่องแท้ โดยมีข้อตกลงที่ดีระหว่างผลการทดลองและการจำลอง"
โครงการทั้งหมดนี้ถือเป็นจุดสูงสุดของความก้าวหน้าทางเทคนิคและวิทยาศาสตร์ที่สำคัญเป็นเวลาหลายปี ซึ่งรวมถึงการออกแบบและการเติบโตของ epitaxy ลำแสงโมเลกุลของบริเวณที่ทำงานด้วยเลเซอร์บรอดแบนด์ การจำลอง การประดิษฐ์ และการกำหนดลักษณะเฉพาะของ THz QCL แบบวางแผน และการจำลองเชิงวิเคราะห์และเชิงตัวเลขที่ครอบคลุมของช่องเลเซอร์มอดูเลต
ส่วนสำคัญของงานของทีมคือการจำลองอุปกรณ์ขั้นสูง "โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ผู้ร่วมมือของเราที่ TU มิวนิก ประเทศเยอรมนี ได้พัฒนาแนวทางการจำลองใหม่สำหรับการสร้างแบบจำลองช่องเลเซอร์แบบมอดูเลตทั้งหมด" Senica กล่าว "ซึ่งรวมถึงการสร้างแบบจำลองระบบควอนตัมของเลเซอร์ การแพร่กระจายของคลื่นไมโครเวฟ และการสร้างพัลส์แสง-ที่รวมโดเมนที่แตกต่างกันสามโดเมนไว้ในการศึกษาแบบจำลองเดียว การสร้างผลการทดลองขึ้นมาใหม่อย่างแม่นยำ และให้ข้อมูลเชิงลึกที่สำคัญเกี่ยวกับไดนามิกของเลเซอร์"
แอปพลิเคชันการสื่อสาร สเปกโตรสโกปี และการตรวจจับในอนาคต
เนื่องจากมีเลเซอร์ล็อคแบบจำลองที่ปรับแต่งได้อย่างต่อเนื่องและกว้างขวาง ทำให้มีการใช้งานที่เป็นไปได้มากมายสำหรับการสื่อสาร สเปกโทรสโกปี และการตรวจจับ "สำหรับโดเมนเวลา รถไฟพัลส์ที่สอดคล้องกันสามารถซิงโครไนซ์กับสัญญาณไมโครเวฟภายนอกหรือเส้นหน่วงเวลาที่ปรับได้" Senica กล่าว "สำหรับโดเมนความถี่ ระยะห่างของโหมดที่ปรับได้ภายในหวีความถี่สามารถปิดช่องว่างสเปกตรัมได้"
อันที่จริง Senica และเพื่อนร่วมงานได้สาธิตการทดลองสเปกโทรสโกปีการดูดกลืนแสงที่ต้องใช้เครื่องตรวจจับความเข้มแบบธรรมดาเท่านั้น- แทนที่จะเป็นเครื่องสเปกโตรมิเตอร์ขนาด{1}}บนโต๊ะ
"เราเชื่อว่าวิธีการของเราจะค่อนข้างตรงไปตรงมาในการนำไปใช้กับเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ประเภทอื่น ๆ ทั่วบริเวณอินฟราเรดและบริเวณที่มองเห็นได้ของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าและปูทางไปสู่การใช้งานที่หลากหลาย" Senica กล่าว "สิ่งสำคัญคือการปรับปรุงคุณสมบัติของไมโครเวฟให้เหมาะสม พร้อมกับบรรจุภัณฑ์ขั้นสูงของอุปกรณ์ดังกล่าว"
