Alejándose de los enfoques de modelado estándar, un equipo de investigadores dirigido por los profesores Giacomo Scalari y Jerome Faist en el Departamento de Física de ETH Zurich, y el profesor Christian Jirauschek de la Universidad Técnica de Munich, creó un láser semiconductor monolítico modelado con una velocidad de repetición continua y ampliamente sintonizable de 4 a 16 GHz. Y, curiosamente, su enfoque debería funcionar para otros láseres semiconductores y longitudes de onda de emisión de láser.
Para lograrlo, los investigadores utilizaron un láser de cascada cuántica (QCL) de terahercios (THz) para producir peines de frecuencia coherentes. Si bien es bien sabido que los QCL de THz se pueden utilizar para generar peines, el reciente desarrollo por parte del equipo de QCL de THz planarizados con propiedades de microondas mejoradas los animó a explorar la fuerte modulación de la cavidad del láser utilizando microondas externas-y descubrieron varios regímenes novedosos de funcionamiento del láser semiconductor.
"Nuestro dispositivo se basa en un QCL de THz planarizado. El material de su región activa consiste en una superred de arseniuro de galio (GaAs)/arseniuro de galio y aluminio (AlGaAs), oblea-unida a un sustrato portador de GaAs", explica Urban Senica, quien en ese momento era Ph.D. estudiante en ETH Zurich pero ahora es becario postdoctoral en el Laboratorio de Óptica a Nanoescala de la Universidad de Harvard. "Mediante el uso de fotolitografía y grabado en seco, se define una guía de ondas de cresta activa y posteriormente se planariza con el polímero de baja-pérdida benzociclobuteno (BCB). Una guía de ondas se intercala verticalmente entre dos capas de metalización extendidas, que confinan los modos óptico y de microondas y actúan como contactos eléctricos para polarizar el dispositivo láser".
Esta configuración da como resultado bajas pérdidas de propagación, reduce la dispersión cromática, aumenta la disipación de calor y mejora las propiedades de las microondas, porque el láser está integrado dentro de una guía de ondas de microondas de baja-pérdida y baja-impedancia.
Modelado activo
El método del equipo se basa en el modelado activo, que implica modular el voltaje de polarización del láser a través de una señal eléctrica externa para generar un tren de pulsos ópticos cortos coherentes (un peine de frecuencia). En demostraciones anteriores, esto solo funcionó si la frecuencia de la señal de modulación estaba sincronizada con el tiempo que tarda la luz en viajar entre los dos espejos del láser (está fijado por las dimensiones físicas de la cavidad).
"Demostramos un régimen completamente novedoso, en el que podemos ajustar de forma continua y amplia la frecuencia de repetición del tren de impulsos hasta en un 400%", dice Senica. "Esta extraordinaria capacidad de sintonización se logra formando una oscilación permanente de microondas a lo largo de toda la cavidad del láser, lo que da como resultado un efecto de tracción de pulso que acelera o desacelera el pulso óptico para estar siempre sincronizado con la frecuencia de modulación externa".
Controlar la velocidad de los pulsos ópticos en-chip mediante microondas
Uno de los aspectos más interesantes de este trabajo es que "básicamente podemos controlar la velocidad de los pulsos ópticos en un chip fotónico con microondas", dice Senica. "En una analogía simple, es similar a una ola de agua que empuja a un surfista hacia adelante. En términos más técnicos, hay un cambio de fase dependiente de la frecuencia-entre el microondas y el pulso óptico, y el gradiente de ganancia/pérdida resultante da como resultado una velocidad de grupo modificada del pulso óptico para que la nueva tasa de repetición coincida con la frecuencia de microondas externa. Un momento decisivo fue cuando pudimos comprender completamente este proceso, con buena concordancia entre los resultados experimentales y de simulación".
Todo este proyecto es la culminación de varios años de importantes avances técnicos y científicos, incluido el diseño y el crecimiento de la epitaxia del haz molecular de la región activa del láser de banda ancha; la simulación, fabricación y caracterización de QCL de THz planarizados; y extensas simulaciones analíticas y numéricas de la cavidad láser modulada.
Una parte clave del trabajo del equipo implicó simulaciones avanzadas de sus dispositivos. "En particular, nuestros colaboradores de la Universidad Técnica de Múnich (Alemania) desarrollaron un nuevo método de simulación para modelar toda la cavidad láser modulada", afirma Senica. "Esto incluye modelar el sistema cuántico del láser, la propagación de microondas y la generación de pulso óptico-combinando tres dominios diferentes dentro de un único estudio de simulación, reproduciendo con precisión los resultados experimentales y proporcionando información crucial sobre la dinámica del láser".
Aplicaciones de comunicaciones, espectroscopia y detección en el futuro
Gracias a sus láseres modelo sincronizados de forma continua y ampliamente sintonizable, existen muchas aplicaciones potenciales para comunicaciones, espectroscopia y detección. "Para el dominio del tiempo, el tren de impulsos coherente se puede sincronizar con una señal de microondas externa arbitraria o con una línea de retardo sintonizable", afirma Senica. "Para el dominio de la frecuencia, el espaciado de modos sintonizables dentro del peine de frecuencias puede cerrar cualquier brecha espectral".
De hecho, Senica y sus colegas ya demostraron un experimento de espectroscopía de absorción que requería solo un detector de intensidad simple-en lugar de un instrumento espectrómetro del tamaño de una mesa-.
"Creemos que nuestro enfoque también será relativamente sencillo de implementar con otros tipos de láseres semiconductores en las regiones infrarroja y visible del espectro electromagnético y allanará el camino para una amplia variedad de aplicaciones", afirma Senica. "Un aspecto importante será la optimización de las propiedades de las microondas, así como el embalaje avanzado de estos dispositivos".
