Để thoát khỏi các phương pháp tiếp cận mô hình hóa tiêu chuẩn, một nhóm các nhà nghiên cứu do Giáo sư Giacomo Scalari và Jerome Faist tại Khoa Vật lý tại ETH Zurich và Giáo sư Christian Jirauschek tại Đại học Kỹ thuật Munich dẫn đầu, đã tạo ra một loại laser bán dẫn được mô hình hóa nguyên khối với tốc độ lặp lại có thể điều chỉnh liên tục và rộng rãi từ 4 đến 16 GHz. Và thật thú vị, phương pháp của họ sẽ có tác dụng đối với các laser bán dẫn và bước sóng phát xạ laser khác.
Để thực hiện được điều này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng tia laser xếp tầng lượng tử terahertz (THz) (QCL) để tạo ra các lược tần số kết hợp. Mặc dù ai cũng biết rằng THz QCL có thể được sử dụng để tạo ra lược, nhưng sự phát triển gần đây của nhóm về THz QCL phẳng với các đặc tính vi sóng được cải tiến đã khuyến khích họ khám phá khả năng điều chế mạnh mẽ của hộp cộng hưởng laze bằng cách sử dụng vi sóng bên ngoài-và họ đã phát hiện ra một số cơ chế hoạt động mới của laze bán dẫn.
Urban Senica, lúc đó là Tiến sĩ, giải thích: "Thiết bị của chúng tôi dựa trên THz QCL phẳng. Vật liệu vùng hoạt động của nó bao gồm siêu mạng gallium arsenide (GaAs)/nhôm gallium arsenide (AlGaAs), wafer-liên kết với chất nền mang GaAs". sinh viên tại ETH Zurich nhưng hiện là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Phòng thí nghiệm Quang học nano của Đại học Harvard. "Bằng cách sử dụng phương pháp quang khắc và khắc khô, một ống dẫn sóng sống động được xác định và sau đó được làm phẳng bằng polyme benzocyclobutene (BCB)-có tổn thất thấp. Ống dẫn sóng được kẹp theo chiều dọc giữa hai lớp kim loại hóa mở rộng, giới hạn các chế độ quang học và vi sóng và hoạt động như các tiếp điểm điện để phân cực thiết bị laser."
Cấu hình này dẫn đến tổn thất truyền sóng thấp, giảm sự phân tán màu sắc, tăng khả năng tản nhiệt và cải thiện các đặc tính vi sóng vì tia laze được nhúng bên trong ống dẫn sóng vi sóng-tổn hao thấp,-trở kháng thấp.
Mô hình hóa hoạt động
Phương pháp của nhóm dựa trên mô hình hóa chủ động, bao gồm việc điều chỉnh điện áp phân cực laser thông qua tín hiệu điện bên ngoài để tạo ra một chuỗi xung quang ngắn kết hợp (tần số lược). Trong các phần trình diễn trước đây, điều này chỉ hiệu quả nếu tần số của tín hiệu điều chế được đồng bộ với thời gian ánh sáng truyền giữa hai gương của tia laser (nó được cố định bởi kích thước khoang vật lý).
Senica cho biết: “Chúng tôi đã chứng minh một chế độ hoàn toàn mới, trong đó chúng tôi có thể điều chỉnh liên tục và rộng rãi tần số tốc độ lặp lại của chuỗi xung lên tới 400%”. “Khả năng điều chỉnh đặc biệt này đạt được bằng cách hình thành một dao động vi sóng đứng dọc theo toàn bộ khoang laser, dẫn đến hiệu ứng kéo xung làm tăng tốc hoặc làm chậm xung quang để luôn được đồng bộ hóa với tần số điều chế bên ngoài.”
Kiểm soát tốc độ của xung quang-trên chip thông qua vi sóng
Một trong những khía cạnh thú vị nhất của công việc này là “về cơ bản chúng ta có thể kiểm soát tốc độ của các xung quang học trên chip quang tử bằng vi sóng”, Senica nói. "Nói một cách tương tự đơn giản, nó tương tự như sóng nước đẩy một người lướt sóng về phía trước. Nói theo thuật ngữ kỹ thuật hơn, có sự dịch pha phụ thuộc tần số giữa xung vi sóng và xung quang, và độ dốc tăng/giảm dẫn đến dẫn đến vận tốc nhóm được sửa đổi của xung quang sao cho tốc độ lặp lại mới phù hợp với tần số vi sóng bên ngoài. Thời điểm đột phá là khi chúng tôi có thể hiểu đầy đủ về quá trình này, với sự thống nhất tốt giữa kết quả thử nghiệm và mô phỏng."
Toàn bộ dự án này là đỉnh cao của nhiều năm tiến bộ khoa học và kỹ thuật quan trọng, bao gồm thiết kế và phát triển epitaxy chùm phân tử của vùng hoạt động laser băng thông rộng; mô phỏng, chế tạo và mô tả đặc tính của THz QCL phẳng; và mô phỏng số và phân tích sâu rộng của khoang laser được điều chế.
Một phần quan trọng trong công việc của nhóm liên quan đến việc mô phỏng nâng cao các thiết bị của họ. Senica cho biết: “Đặc biệt, các cộng tác viên của chúng tôi tại TU Munich ở Đức đã phát triển một phương pháp mô phỏng mới để mô hình hóa toàn bộ hộp cộng hưởng laser được điều chế”. "Điều này bao gồm lập mô hình hệ thống lượng tử của tia laser, sự lan truyền vi sóng và tạo xung quang học-kết hợp ba miền khác nhau trong một nghiên cứu mô phỏng duy nhất, tái tạo chính xác các kết quả thử nghiệm và cung cấp những hiểu biết quan trọng về động lực học của tia laser."
Các ứng dụng truyền thông, quang phổ và cảm biến phía trước
Nhờ các laser được điều chỉnh mô hình liên tục và có thể điều chỉnh rộng rãi, nên có rất nhiều ứng dụng tiềm năng cho truyền thông, quang phổ và cảm biến. Senica cho biết: “Đối với miền thời gian, chuỗi xung kết hợp có thể được đồng bộ hóa với tín hiệu vi sóng bên ngoài tùy ý hoặc đường trễ có thể điều chỉnh được”. "Đối với miền tần số, khoảng cách chế độ có thể điều chỉnh trong lược tần số có thể thu hẹp mọi khoảng trống quang phổ."
Trên thực tế, Senica và các đồng nghiệp đã trình diễn một thí nghiệm quang phổ hấp thụ chỉ cần một máy dò cường độ đơn giản-chứ không phải một thiết bị quang phổ kế cỡ mặt bàn-.
Senica cho biết: “Chúng tôi tin rằng phương pháp của chúng tôi cũng sẽ tương đối đơn giản để thực hiện với các loại laser bán dẫn khác trên vùng hồng ngoại và vùng khả kiến của phổ điện từ và mở đường cho nhiều ứng dụng khác nhau”. “Một khía cạnh quan trọng sẽ là các đặc tính vi sóng được tối ưu hóa, cùng với việc đóng gói tiên tiến cho các thiết bị như vậy.”
