표준 모델 잠금 접근 방식에서 벗어나 ETH 취리히 물리학과의 Giacomo Scalari 교수와 Jerome Faist 교수, 뮌헨 공과 대학의 Christian Jirauschek 교수가 이끄는 연구팀은 4~16 GHz의 연속적이고 광범위하게 조정 가능한 반복 속도를 갖춘 모놀리식 모델 잠금 반도체 레이저를 만들었습니다. 그리고 흥미롭게도 그들의 접근 방식은 다른 반도체 레이저 및 레이저 방출 파장에도 적용됩니다.
이를 풀기 위해 연구원들은 테라헤르츠(THz) 양자 캐스케이드 레이저(QCL)를 사용하여 간섭성 주파수 빗을 생성했습니다. THz QCL을 사용하여 빗살을 생성할 수 있다는 것은 잘 알려져 있지만, 최근 마이크로파 특성이 개선된 평탄화된 THz QCL 개발을 통해 팀은 외부 마이크로파를 사용하여 레이저 공동의 강력한 변조를 탐색할 수 있었고-반도체 레이저 작동의 몇 가지 새로운 방식을 발견했습니다.
"우리 장치는 평탄화된 THz QCL을 기반으로 합니다. 활성 영역 재료는 GaAs 캐리어 기판에 접합된 웨이퍼-인 갈륨 비소(GaAs)/알루미늄 갈륨 비소(AlGaAs) 초격자로 구성됩니다."라고 당시 박사 학위였던 Urban Senica는 설명합니다. ETH Zurich의 학생이지만 현재 Harvard University의 Nanoscale Optics 연구소에서 박사후 연구원으로 재직하고 있습니다. "포토리소그래피와 건식 에칭을 사용하여 활성 능선 도파관을 정의한 다음 저-손실 폴리머 벤조사이클로부텐(BCB)으로 평탄화합니다. 도파관은 두 개의 확장된 금속화 층 사이에 수직으로 끼워져 있어 광학 및 마이크로파 모드를 제한하고 레이저 장치를 바이어싱하기 위한 전기 접점 역할을 합니다."
이 구성은 레이저가 저-손실, 저-임피던스 마이크로파 도파관 내에 내장되어 있기 때문에 전파 손실이 적고 색분산이 감소하며 열 방출이 증가하고 마이크로파 특성이 향상됩니다.
활성 모델 잠금
팀의 방법은 외부 전기 신호를 통해 레이저 바이어스 전압을 변조하여 일관된 짧은 광 펄스(주파수 빗)열을 생성하는 능동 모델 잠금을 기반으로 합니다. 이전 시연에서는 변조 신호의 주파수가 빛이 레이저의 두 거울 사이를 이동하는 데 걸리는 시간(물리적 공동 크기에 의해 고정됨)과 동기화된 경우에만 작동했습니다.
"우리는 펄스열의 반복률 주파수를 최대 400%까지 지속적이고 광범위하게 조정할 수 있는 완전히 새로운 방식을 시연했습니다."라고 Senica는 말했습니다. "이 놀라운 조정 가능성은 전체 레이저 공동을 따라 정립 마이크로파 진동을 형성함으로써 달성되며, 이는 광학 펄스의 속도를 높이거나 낮추는 펄스 끌어당김 효과를 발생시켜 항상 외부 변조 주파수와 동기화됩니다."
마이크로파를 통해 온칩 광 펄스 속도 제어-
이 연구의 가장 멋진 측면 중 하나는 "우리는 본질적으로 마이크로파를 사용하여 광자 칩의 광 펄스 속도를 제어할 수 있다"고 Senica는 말합니다. "간단히 비유하자면 파도가 파도타기를 앞으로 밀어내는 것과 비슷합니다. 보다 기술적인 용어로 마이크로파와 광 펄스 사이에는 주파수- 의존적 위상 변이가 있으며 결과적인 이득/손실 구배로 인해 광 펄스의 그룹 속도가 수정되어 새로운 반복률이 외부 마이크로파 주파수와 일치하게 됩니다. 획기적인 순간은 우리가 실험 결과와 시뮬레이션 결과가 잘 일치하면서 이 과정을 완전히 이해할 수 있었던 때였습니다."
이 전체 프로젝트는 광대역 레이저 활성 영역의 설계 및 분자 빔 에피택시 성장을 포함하여 수년간의 주요 기술 및 과학적 발전의 정점입니다. 평탄화된 THz QCL의 시뮬레이션, 제작 및 특성화; 변조된 레이저 공동에 대한 광범위한 분석 및 수치 시뮬레이션.
팀 작업의 핵심 부분에는 장치의 고급 시뮬레이션이 포함되었습니다. "특히 독일 TU 뮌헨의 공동 연구자들은 변조된 레이저 공동 전체를 모델링하기 위한 새로운 시뮬레이션 접근 방식을 개발했습니다."라고 Senica는 말했습니다. "여기에는 단일 시뮬레이션 연구 내에서 세 가지 다른 영역을 결합하는 레이저, 마이크로파 전파 및 광 펄스 생성의 양자 시스템 모델링이 포함됩니다.{2}}실험 결과를 정확하게 재현하고 레이저 역학에 대한 중요한 통찰력을 제공합니다."
통신, 분광학, 감지 애플리케이션의 발전
지속적이고 광범위하게 조정 가능한 모델락 레이저 덕분에 통신, 분광학 및 감지에 대한 많은 잠재적 응용 분야가 있습니다. "시간 영역의 경우 응집성 펄스 열은 임의의 외부 마이크로파 신호 또는 조정 가능한 지연 라인과 동기화될 수 있습니다."라고 Senica는 말합니다. "주파수 영역의 경우 주파수 빗 내의 조정 가능한 모드 간격은 모든 스펙트럼 간격을 줄일 수 있습니다."
실제로 Senica와 동료들은 이미 탁상용-크기의 분광계 기기가 아닌 간단한 강도 검출기-만 필요한 흡수 분광학 실험을 시연했습니다.
"우리는 우리의 접근 방식이 전자기 스펙트럼의 적외선 및 가시 영역에 걸쳐 다른 유형의 반도체 레이저로 구현하고 다양한 응용 분야를 위한 길을 닦는 데 비교적 간단할 것이라고 믿습니다."라고 Senica는 말합니다. "중요한 측면은 이러한 장치의 고급 패키징과 함께 최적화된 마이크로파 특성이 될 것입니다."
