標準的なモデルロック手法からの脱却として、チューリッヒ工科大学物理学科のジャコモ・スカラーリ教授とジェローム・ファイスト教授、ミュンヘン工科大学のクリスチャン・ジラウシェク教授が率いる研究チームは、4～16 GHzの範囲で継続的かつ広範囲に調整可能な繰り返しレートを備えたモノリシック・モデルロック半導体レーザーを作成した。そして興味深いことに、彼らのアプローチは他の半導体レーザーやレーザー発光波長でも機能するはずです。
これを実現するために、研究者らはテラヘルツ (THz) 量子カスケード レーザー (QCL) を使用してコヒーレントな周波数コムを生成しました。 THz QCL を使用してコームを生成できることはよく知られていますが、マイクロ波特性が改善された平坦化 THz QCL の研究チームの最近の開発により、外部マイクロ波を使用したレーザー空洞の強力な変調の研究が奨励され-、彼らは半導体レーザー動作のいくつかの新しい領域を発見しました。
「私たちのデバイスは、平坦化された THz QCL に基づいています。その活性領域の材料は、ガリウムヒ素 (GaAs)/アルミニウムガリウムヒ素 (AlGaAs) 超格子で構成され、ウェハ-が GaAs キャリア基板に接合されています。」と、当時博士号を取得していたアーバン セニカ氏は説明します。チューリッヒ工科大学の学生でしたが、現在はハーバード大学ナノスケール光学研究所の博士研究員です。 「フォトリソグラフィーとドライ エッチングを使用することにより、アクティブ リッジ導波路が定義され、その後、低損失ポリマー ベンゾシクロブテン (BCB) で平坦化されます。導波路は 2 つの拡張メタライゼーション層の間に垂直に挟まれ、光モードとマイクロ波モードを閉じ込め、レーザー デバイスにバイアスをかけるための電気接点として機能します。」
この構成により、レーザーが低損失、低インピーダンスのマイクロ波導波管内に埋め込まれているため、伝播損失が低くなり、色分散が減少し、熱放散が増加し、マイクロ波特性が向上します。-
アクティブなモデルロック
研究チームの手法は、外部電気信号を介してレーザーのバイアス電圧を変調してコヒーレントな短い光パルス列（周波数コム）を生成するアクティブ・モードロッキングに基づいている。以前のデモンストレーションでは、これは変調信号の周波数がレーザーの 2 つのミラー間を光が移動するのにかかる時間 (物理的なキャビティの寸法によって固定されます) と同期している場合にのみ機能しました。
「私たちは、パルス列の繰り返し周波数を最大 400% まで継続的かつ広範囲に調整できる、まったく新しい方式を実証しました」と Senica 氏は言います。 「この並外れた同調性は、レーザーキャビティ全体に沿って定常マイクロ波発振を形成することによって実現され、その結果、光パルスを加速または減速して外部変調周波数と常に同期させるパルスプル効果が生じます。」
マイクロ波によるオンチップ光パルスの速度の制御-
この研究の最も優れた点の 1 つは、「マイクロ波を使用してフォトニック チップ上の光パルスの速度を本質的に制御できることです」とセニカ氏は言います。 「簡単に例えると、サーファーを前に押し出す水の波に似ています。より専門的な言葉で言えば、マイクロ波と光パルスの間には周波数に依存する位相シフトがあり、その結果得られる利得/損失勾配によって光パルスの群速度が変更され、新しい繰り返し率が外部マイクロ波周波数と一致するようになります。画期的な瞬間は、実験結果とシミュレーション結果がよく一致し、このプロセスを完全に理解できたときでした。」
このプロジェクト全体は、広帯域レーザー活性領域の設計と分子線エピタキシー成長を含む、数年間にわたる主要な技術的および科学的進歩の集大成です。平坦化されたTHz QCLのシミュレーション、製造、および特性評価。そして、変調されたレーザーキャビティの広範な分析および数値シミュレーション。
チームの作業の重要な部分には、デバイスの高度なシミュレーションが含まれていました。 「特に、ドイツのミュンヘン工科大学の共同研究者たちは、変調されたレーザーキャビティ全体をモデル化するための新しいシミュレーションアプローチを開発しました」とセニカ氏は言います。 「これには、レーザーの量子システム、マイクロ波伝播、光パルス生成のモデル化が含まれます。-単一のシミュレーション研究内で 3 つの異なる領域を組み合わせ、実験結果を正確に再現し、レーザーのダイナミクスに関する重要な洞察を提供します。」
通信、分光、センシングの応用が進む
継続的かつ広範囲に調整可能なモードロック レーザーのおかげで、通信、分光法、センシングなどの潜在的な用途が数多くあります。 「時間領域では、コヒーレントパルス列を任意の外部マイクロ波信号または調整可能な遅延線に同期させることができます」とセニカ氏は言う。 「周波数領域では、周波数コム内の調整可能なモード間隔により、スペクトルのギャップを埋めることができます。」
実際、Senica らはすでに、卓上サイズの分光計ではなく、単純な強度検出器のみを必要とする吸収分光実験を実証しました。{0}{1}{1}
「私たちのアプローチは、電磁スペクトルの赤外および可視領域にわたって他のタイプの半導体レーザーでも比較的簡単に実装でき、さまざまな用途への道が開かれると考えています」とセニカ氏は言う。 「重要な側面は、マイクロ波特性の最適化と、そのようなデバイスの高度なパッケージングです。」
