Gan wyro oddi wrth ddulliau modelu safonol, creodd tîm o ymchwilwyr dan arweiniad yr Athro Giacomo Scalari a Jerome Fist yn Adran Ffiseg ETH Zurich, a’r Athro Christian Jirauschek ym Mhrifysgol Dechnegol Munich, laser lled-ddargludyddion monolithig wedi’i fodelu â chyfradd ailadrodd barhaus ac eang y gellir ei thiwnio o 4 i 16 GHz. Ac, yn ddiddorol, dylai eu hymagwedd weithio ar gyfer laserau lled-ddargludyddion eraill a thonfeddi allyriadau laser.
Er mwyn ei dynnu i ffwrdd, defnyddiodd yr ymchwilwyr laser rhaeadru cwantwm terahertz (THz) (QCL) i gynhyrchu cribau amlder cydlynol. Er ei bod yn hysbys iawn y gellir defnyddio THz QCLs i gynhyrchu crwybrau, roedd datblygiad diweddar y tîm o QCLs THz cynlluniedig gyda gwell priodweddau microdon wedi eu hannog i archwilio modiwleiddio cryf y ceudod laser gan ddefnyddio microdonau allanol-a darganfuwyd sawl trefn newydd o weithredu laser lled-ddargludyddion.
"Mae ein dyfais yn seiliedig ar THz QCL cynlluniedig. Mae ei ddeunydd rhanbarth gweithredol yn cynnwys uwchlattice gallium arsenide (GaAs) / alwminiwm gallium arsenide (AlGaAs), wafer - wedi'i fondio i is-haen cludo GaAs," eglura Urban Senica, a oedd ar y pryd yn Ph.D. myfyriwr yn ETH Zurich ond mae bellach yn gymrawd ôl-ddoethurol yn Labordy Opteg Nanoscale Prifysgol Harvard. "Trwy ddefnyddio ffotolithograffeg ac ysgythru sych, mae canllaw tonnau crib gweithredol yn cael ei ddiffinio a'i gynllunio wedyn gyda'r benzocyclobutene polymer colled isel (BCB). Mae canllaw tonnau wedi'i wasgu'n fertigol rhwng dwy haen meteleiddio estynedig, sy'n cyfyngu'r moddau optegol a microdon ac yn gweithredu fel cysylltiadau trydanol ar gyfer gogwyddo'r ddyfais laser."
Mae'r cyfluniad hwn yn arwain at golledion lluosogi isel, yn lleihau gwasgariad cromatig, yn cynyddu afradu gwres, ac yn gwella priodweddau microdon, oherwydd bod y laser wedi'i fewnosod o fewn canllaw tonnau microdon â cholled isel, isel{1}.
Modelu gweithredol
Mae dull y tîm yn seiliedig ar fodelu gweithredol, sy'n cynnwys modiwleiddio'r foltedd bias laser trwy signal trydanol allanol i gynhyrchu trên o gorbys optegol byr cydlynol (crib amledd). Mewn arddangosiadau blaenorol, dim ond os oedd amlder y signal modiwleiddio wedi'i gysoni â'r amser y mae'n ei gymryd i olau i deithio rhwng dau ddrych y laser y byddai hyn yn gweithio (mae'n cael ei osod gan ddimensiynau'r ceudod ffisegol).
“Fe wnaethon ni arddangos trefn hollol newydd, lle gallwn ni diwnio amlder cyfradd ailadrodd y trên pwls gymaint â 400% yn barhaus ac yn eang,” meddai Senica. "Caiff y tunadwyedd rhyfeddol hwn ei gyflawni trwy ffurfio osciliad microdon sefydlog ar hyd y ceudod laser cyfan, sy'n arwain at effaith tynnu pwls sy'n cyflymu neu'n arafu'r pwls optegol i gael ei gydamseru bob amser â'r amlder modiwleiddio allanol."
Rheoli cyflymder corbys optegol sglodion ymlaen- trwy ficrodonau
Un o'r agweddau mwyaf cŵl ar y gwaith hwn yw "yn y bôn gallwn reoli cyflymder corbys optegol ar sglodyn ffotonig gyda microdonau," meddai Senica. "Mewn cyfatebiaeth syml, mae'n debyg i don ddŵr yn gwthio syrffiwr ymlaen. Mewn termau mwy technegol, mae newid cam dibynnol rhwng y microdon a'r pwls optegol, ac mae'r graddiant enillion/colled dilynol yn arwain at gyflymder grŵp wedi'i addasu o'r curiad optegol fel bod y gyfradd ailadrodd newydd yn cyd-fynd â'r gyfradd ailadrodd allanol. Roedd yr arbrawf yn gallu deall y broses yn llawn, ac roedd yn bosibl i ni ddeall yn iawn amledd y broses a chanlyniadau'r arbrawf yn llawn.
Mae'r prosiect cyfan hwn yn benllanw nifer o flynyddoedd o ddatblygiadau technegol a gwyddonol mawr, gan gynnwys dylunio a thwf epitaxy pelydr moleciwlaidd y rhanbarth gweithredol laser band eang; efelychiad, gwneuthuriad, a nodweddu THz QCLs planedig; ac efelychiadau dadansoddol a rhifiadol helaeth o'r ceudod laser wedi'i fodiwleiddio.
Roedd rhan allweddol o waith y tîm yn cynnwys efelychiadau uwch o'u dyfeisiau. "Yn benodol, datblygodd ein cydweithwyr yn TU Munich yn yr Almaen ddull efelychu newydd ar gyfer modelu'r ceudod laser modiwleiddio cyfan," meddai Senica. "Mae hyn yn cynnwys modelu system cwantwm y laser, lluosogiad y microdon, a'r genhedlaeth pwls optegol-gan gyfuno tri pharth gwahanol o fewn un astudiaeth efelychiad, gan atgynhyrchu'r canlyniadau arbrofol yn gywir a darparu mewnwelediad hollbwysig i ddeinameg y laser."
Cyfathrebu, sbectrosgopeg, a chymwysiadau synhwyro o'n blaenau
Diolch i'w laserau wedi'u modelu'n barhaus ac yn eang y gellir eu tiwnio, mae yna lawer o gymwysiadau posibl ar gyfer cyfathrebu, sbectrosgopeg a synhwyro. "Ar gyfer y parth amser, gellir cydamseru'r trên pwls cydlynol i signal microdon allanol mympwyol neu linell oedi tiwnadwy," meddai Senica. msgstr "Ar gyfer y parth amledd, gall y bylchiad modd tiwnadwy o fewn y crib amlder gau unrhyw fylchau sbectrol."
Mewn gwirionedd, dangosodd Senica a chydweithwyr eisoes arbrawf sbectrosgopeg amsugno a oedd angen canfodydd dwyster syml yn unig-yn hytrach nag offeryn sbectromedr maint pen bwrdd.
"Rydym yn credu y bydd ein dull gweithredu hefyd yn gymharol syml i'w weithredu gyda mathau eraill o laserau lled-ddargludyddion ar draws rhanbarthau isgoch a gweladwy y sbectrwm electromagnetig ac yn paratoi'r ffordd ar gyfer amrywiaeth eang o gymwysiadau," meddai Senica. "Agwedd bwysig fydd eiddo optimeiddio microdon, ynghyd â phecynnu uwch o ddyfeisiau o'r fath."
