S'écartant des approches standard de verrouillage de modèle, une équipe de chercheurs dirigée par les professeurs Giacomo Scalari et Jerome Faist du Département de physique de l'ETH Zurich et le professeur Christian Jirauschek de l'Université technique de Munich a créé un laser à semi-conducteur monolithique à verrouillage de modèle avec un taux de répétition largement réglable en continu de 4 à 16 GHz. Et, curieusement, leur approche devrait fonctionner pour d’autres lasers à semi-conducteurs et longueurs d’onde d’émission laser.
Pour y parvenir, les chercheurs ont utilisé un laser à cascade quantique (QCL) térahertz (THz) pour produire des peignes de fréquence cohérents. Bien qu'il soit bien connu que les QCL THz peuvent être utilisés pour générer des peignes, le développement récent par l'équipe de QCL THz planarisés avec des propriétés micro-ondes améliorées les a encouragés à explorer la forte modulation de la cavité laser à l'aide de micro-ondes externes-et ils ont découvert plusieurs nouveaux régimes de fonctionnement des lasers à semi-conducteurs.
"Notre appareil est basé sur un QCL THz planarisé. Son matériau de région active est constitué d'un super-réseau d'arséniure de gallium (GaAs)/arséniure de gallium d'aluminium (AlGaAs), une tranche-liée à un substrat porteur de GaAs", explique Urban Senica, qui était à l'époque titulaire d'un doctorat. étudiant à l'ETH Zurich, mais est maintenant chercheur postdoctoral au Laboratoire d'optique à l'échelle nanométrique de l'Université Harvard. "En utilisant la photolithographie et la gravure sèche, un guide d'ondes à crête active est défini puis planarisé avec le polymère benzocyclobutène (BCB) à faible perte. Un guide d'ondes est pris en sandwich verticalement entre deux couches de métallisation étendues, qui confinent les modes optique et micro-ondes et agissent comme des contacts électriques pour polariser le dispositif laser. "
Cette configuration entraîne de faibles pertes de propagation, réduit la dispersion chromatique, augmente la dissipation thermique et améliore les propriétés micro-ondes, car le laser est intégré dans un guide d'ondes micro-ondes à faible-perte et faible-impédance.
Verrouillage de modèle actif
La méthode de l'équipe est basée sur le verrouillage de mode actif, qui consiste à moduler la tension de polarisation du laser via un signal électrique externe pour générer un train d'impulsions optiques courtes et cohérentes (un peigne de fréquence). Dans les démonstrations précédentes, cela ne fonctionnait que si la fréquence du signal de modulation était synchronisée avec le temps nécessaire à la lumière pour voyager entre les deux miroirs du laser (ce temps est fixé par les dimensions physiques de la cavité).
"Nous avons démontré un régime totalement nouveau, dans lequel nous pouvons régler en continu et largement la fréquence du taux de répétition du train d'impulsions jusqu'à 400 %", explique Senica. "Cette accordabilité extraordinaire est obtenue en formant une oscillation micro-onde permanente le long de toute la cavité laser, ce qui entraîne un effet d'attraction d'impulsion qui accélère ou ralentit l'impulsion optique pour toujours être synchronisée avec la fréquence de modulation externe."
Contrôler la vitesse des-impulsions optiques sur puce via des micro-ondes
L'un des aspects les plus intéressants de ce travail est que "nous pouvons essentiellement contrôler la vitesse des impulsions optiques sur une puce photonique grâce aux micro-ondes", explique Senica. "Dans une analogie simple, cela ressemble à une vague d'eau poussant un surfeur vers l'avant. En termes plus techniques, il existe un déphasage dépendant de la fréquence entre le micro-onde et l'impulsion optique, et le gradient de gain/perte qui en résulte entraîne une modification de la vitesse de groupe de l'impulsion optique afin que le nouveau taux de répétition corresponde à la fréquence micro-onde externe. Un moment décisif a été lorsque nous avons pu comprendre pleinement ce processus, avec un bon accord entre les résultats expérimentaux et de simulation. "
L'ensemble de ce projet est l'aboutissement de plusieurs années d'avancées techniques et scientifiques majeures, notamment la conception et la croissance par épitaxie par jet moléculaire de la région active du laser à large bande ; la simulation, la fabrication et la caractérisation de QCL THz planarisés ; et des simulations analytiques et numériques approfondies de la cavité laser modulée.
Une partie clé du travail de l’équipe impliquait des simulations avancées de leurs appareils. "En particulier, nos collaborateurs de la TU Munich en Allemagne ont développé une nouvelle approche de simulation pour modéliser l'intégralité de la cavité laser modulée", explique Senica. "Cela inclut la modélisation du système quantique du laser, la propagation des micro-ondes et la génération d'impulsions optiques- combinant trois domaines différents au sein d'une seule étude de simulation, reproduisant avec précision les résultats expérimentaux et fournissant des informations cruciales sur la dynamique du laser."
Applications de communication, de spectroscopie et de détection à venir
Grâce à leurs lasers à mode verrouillé en continu et largement réglables, il existe de nombreuses applications potentielles pour les communications, la spectroscopie et la détection. "Pour le domaine temporel, le train d'impulsions cohérent peut être synchronisé avec un signal micro-onde externe arbitraire ou une ligne à retard accordable", explique Senica. "Pour le domaine fréquentiel, l'espacement des modes accordables dans le peigne de fréquences peut combler tous les écarts spectraux."
En fait, Senica et ses collègues ont déjà démontré une expérience de spectroscopie d'absorption qui ne nécessitait qu'un simple détecteur d'intensité-plutôt qu'un spectromètre de la taille d'une table-.
"Nous pensons que notre approche sera également relativement simple à mettre en œuvre avec d'autres types de lasers à semi-conducteurs dans les régions infrarouge et visible du spectre électromagnétique et ouvrira la voie à une grande variété d'applications", déclare Senica. "Un aspect important sera l'optimisation des propriétés des micro-ondes, ainsi que le conditionnement avancé de ces dispositifs."
