माइक्रोवेव एक मोनोलिथिक सेमीकंडक्टर लेजर के भीतर ट्यून करने योग्य मॉडलॉक्ड पल्स उत्पन्न करते हैं

मानक मॉडलिंग दृष्टिकोण से हटकर, ईटीएच ज्यूरिख में भौतिकी विभाग में प्रोफेसर जियाकोमो स्केलारी और जेरोम फैस्ट और म्यूनिख के तकनीकी विश्वविद्यालय में प्रोफेसर क्रिश्चियन जिराउशेक के नेतृत्व में शोधकर्ताओं की एक टीम ने 4 से 16 गीगाहर्ट्ज तक निरंतर और व्यापक रूप से ट्यून करने योग्य पुनरावृत्ति दर के साथ एक मोनोलिथिक मॉडलॉक्ड सेमीकंडक्टर लेजर बनाया। और, दिलचस्प बात यह है कि उनका दृष्टिकोण अन्य अर्धचालक लेजर और लेजर उत्सर्जन तरंग दैर्ध्य के लिए काम करना चाहिए।

इसे दूर करने के लिए, शोधकर्ताओं ने सुसंगत आवृत्ति कॉम्ब्स का उत्पादन करने के लिए टेराहर्ट्ज़ (THz) क्वांटम कैस्केड लेजर (QCL) का उपयोग किया। हालांकि यह सर्वविदित है कि टीएचजेड क्यूसीएल का उपयोग कंघी बनाने के लिए किया जा सकता है, टीम के बेहतर माइक्रोवेव गुणों के साथ प्लानराइज्ड टीएचजेड क्यूसीएल के हालिया विकास ने उन्हें बाहरी माइक्रोवेव का उपयोग करके लेजर कैविटी के मजबूत मॉड्यूलेशन का पता लगाने के लिए प्रोत्साहित किया है और उन्होंने सेमीकंडक्टर लेजर ऑपरेशन के कई नए तरीकों की खोज की है।

"हमारा उपकरण एक समतलीकृत THz QCL पर आधारित है। इसकी सक्रिय क्षेत्र सामग्री में एक गैलियम आर्सेनाइड (GaAs)/एल्यूमीनियम गैलियम आर्सेनाइड (AlGaAs) सुपरलैटिस, वेफर {{1}एक GaAs वाहक सब्सट्रेट से जुड़ा होता है," अर्बन सेनिका बताते हैं, जो उस समय पीएच.डी. थे। ईटीएच ज्यूरिख में छात्र हैं लेकिन अब नैनोस्केल ऑप्टिक्स के लिए हार्वर्ड विश्वविद्यालय की प्रयोगशाला में पोस्टडॉक्टरल फेलो हैं। "फोटोलिथोग्राफी और सूखी नक़्क़ाशी का उपयोग करके, एक सक्रिय रिज वेवगाइड को परिभाषित किया जाता है और बाद में कम -नुकसान वाले पॉलिमर बेंज़ोसाइक्लोब्यूटीन (बीसीबी) के साथ प्लानराइज़ किया जाता है। एक वेवगाइड को दो विस्तारित धातुकरण परतों के बीच लंबवत रूप से सैंडविच किया जाता है, जो ऑप्टिकल और माइक्रोवेव मोड को सीमित करता है और लेजर डिवाइस को बायस करने के लिए विद्युत संपर्क के रूप में कार्य करता है।"

इस कॉन्फ़िगरेशन के परिणामस्वरूप कम प्रसार हानि होती है, रंगीन फैलाव कम हो जाता है, गर्मी अपव्यय बढ़ जाता है, और माइक्रोवेव गुणों में सुधार होता है, क्योंकि लेजर कम {{0}नुकसान, कम -प्रतिबाधा माइक्रोवेव वेवगाइड के भीतर एम्बेडेड होता है।

सक्रिय मॉडलिंग

टीम की विधि सक्रिय मॉडलॉकिंग पर आधारित है, जिसमें सुसंगत लघु ऑप्टिकल दालों (एक आवृत्ति कंघी) की एक ट्रेन उत्पन्न करने के लिए बाहरी विद्युत सिग्नल के माध्यम से लेजर पूर्वाग्रह वोल्टेज को मॉड्यूलेट करना शामिल है। पिछले प्रदर्शनों में, यह केवल तभी काम करता था जब मॉड्यूलेशन सिग्नल की आवृत्ति को लेजर के दो दर्पणों के बीच यात्रा करने में प्रकाश के समय के साथ सिंक्रनाइज़ किया गया था (यह भौतिक गुहा आयामों द्वारा तय किया गया है)।

सेनिका कहती हैं, "हमने एक पूरी तरह से नवीन व्यवस्था का प्रदर्शन किया, जिसमें हम पल्स ट्रेन की पुनरावृत्ति दर आवृत्ति को 400% तक लगातार और व्यापक रूप से ट्यून कर सकते हैं।" "यह असाधारण ट्यूनेबिलिटी संपूर्ण लेज़र कैविटी के साथ एक स्थायी माइक्रोवेव दोलन बनाकर प्राप्त की जाती है, जिसके परिणामस्वरूप एक पल्स खींचने वाला प्रभाव होता है जो ऑप्टिकल पल्स को हमेशा बाहरी मॉड्यूलेशन आवृत्ति के साथ सिंक्रनाइज़ करने के लिए तेज़ या धीमा कर देता है।"

माइक्रोवेव के माध्यम से चिप ऑप्टिकल पल्स की गति को नियंत्रित करना

इस काम के सबसे अच्छे पहलुओं में से एक यह है कि "हम अनिवार्य रूप से माइक्रोवेव के साथ एक फोटोनिक चिप पर ऑप्टिकल दालों की गति को नियंत्रित कर सकते हैं," सेनिका का कहना है। "एक साधारण सादृश्य में, यह एक पानी की लहर के समान है जो एक सर्फ़र को आगे की ओर धकेलती है। अधिक तकनीकी शब्दों में, माइक्रोवेव और ऑप्टिकल पल्स के बीच एक आवृत्ति निर्भर चरण बदलाव होता है, और परिणामी लाभ/हानि ग्रेडिएंट ऑप्टिकल पल्स के एक संशोधित समूह वेग में परिणामित होता है ताकि नई पुनरावृत्ति दर बाहरी माइक्रोवेव आवृत्ति से मेल खाए। एक महत्वपूर्ण क्षण वह था जब हम प्रयोगात्मक और सिमुलेशन परिणामों के बीच अच्छे समझौते के साथ, इस प्रक्रिया को पूरी तरह से समझने में सक्षम थे।"

यह संपूर्ण परियोजना कई वर्षों की प्रमुख तकनीकी और वैज्ञानिक प्रगति की परिणति है, जिसमें ब्रॉडबैंड लेजर सक्रिय क्षेत्र के डिजाइन और आणविक बीम एपिटेक्सी विकास शामिल है; समतलीकृत THz QCLs का अनुकरण, निर्माण और लक्षण वर्णन; और मॉड्यूलेटेड लेजर कैविटी का व्यापक विश्लेषणात्मक और संख्यात्मक सिमुलेशन।

टीम के काम के एक प्रमुख हिस्से में उनके उपकरणों का उन्नत सिमुलेशन शामिल था। सेनिका कहती हैं, "विशेष रूप से, जर्मनी में टीयू म्यूनिख में हमारे सहयोगियों ने संपूर्ण मॉड्यूलेटेड लेजर कैविटी के मॉडलिंग के लिए एक नया सिमुलेशन दृष्टिकोण विकसित किया है।" "इसमें लेजर के क्वांटम सिस्टम की मॉडलिंग, माइक्रोवेव प्रसार और ऑप्टिकल पल्स जेनरेशन शामिल है, एक ही सिमुलेशन अध्ययन के भीतर तीन अलग-अलग डोमेन को संयोजित करना, प्रयोगात्मक परिणामों को सटीक रूप से पुन: प्रस्तुत करना और लेजर डायनेमिक्स में महत्वपूर्ण अंतर्दृष्टि प्रदान करना।"

संचार, स्पेक्ट्रोस्कोपी, और संवेदन अनुप्रयोग आगे

उनके निरंतर और व्यापक रूप से ट्यून करने योग्य मॉडलॉक्ड लेजर के लिए धन्यवाद, संचार, स्पेक्ट्रोस्कोपी और सेंसिंग के लिए कई संभावित अनुप्रयोग हैं। सेनिका का कहना है, "समय डोमेन के लिए, सुसंगत पल्स ट्रेन को एक मनमाना बाहरी माइक्रोवेव सिग्नल या ट्यून करने योग्य विलंब लाइन के साथ सिंक्रनाइज़ किया जा सकता है।" "फ़्रीक्वेंसी डोमेन के लिए, फ़्रीक्वेंसी कंघी के भीतर ट्यून करने योग्य मोड रिक्ति किसी भी वर्णक्रमीय अंतराल को बंद कर सकती है।"

वास्तव में, सेनिका और सहकर्मियों ने पहले से ही एक अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी प्रयोग का प्रदर्शन किया था जिसके लिए टेबलटॉप आकार के स्पेक्ट्रोमीटर उपकरण की बजाय केवल एक साधारण तीव्रता डिटेक्टर की आवश्यकता थी।

सेनिका का कहना है, "हमारा मानना ​​है कि विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम के अवरक्त और दृश्य क्षेत्रों में अन्य प्रकार के अर्धचालक लेजर के साथ लागू करने के लिए हमारा दृष्टिकोण अपेक्षाकृत सरल होगा और विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों के लिए मार्ग प्रशस्त करेगा।" "एक महत्वपूर्ण पहलू ऐसे उपकरणों की उन्नत पैकेजिंग के साथ-साथ अनुकूलित माइक्रोवेव गुण होंगे।"