في خروج عن مناهج النمذجة القياسية، قام فريق من الباحثين بقيادة البروفيسور جياكومو سكالاري وجيروم فايست في قسم الفيزياء في ETH زيوريخ، والبروفيسور كريستيان جيراوتشيك في الجامعة التقنية في ميونيخ، بإنشاء ليزر أشباه الموصلات المتجانسة مع معدل تكرار قابل للضبط بشكل مستمر وعلى نطاق واسع من 4 إلى 16 جيجا هرتز. ومن المثير للاهتمام أن نهجهم يجب أن ينجح مع أجهزة ليزر أشباه الموصلات الأخرى والأطوال الموجية لانبعاث الليزر.
ولتحقيق ذلك، استخدم الباحثون ليزر تيراهيرتز (THz) الكمي المتتالي (QCL) لإنتاج أمشاط ترددية متماسكة. في حين أنه من المعروف أنه يمكن استخدام وحدات T هرتز QCL لإنشاء أمشاط، فإن التطوير الأخير للفريق لوحدات T هرتز QCL المستوية مع خصائص الموجات الصغرية المحسنة شجعهم على استكشاف التعديل القوي لتجويف الليزر باستخدام الموجات الدقيقة الخارجية -واكتشفوا العديد من الأنظمة الجديدة لتشغيل ليزر أشباه الموصلات.
يوضح أوربان سينيكا، الذي كان في ذلك الوقت حاصلًا على درجة الدكتوراه: "يعتمد جهازنا على T هرتز QCL مستوٍ. وتتكون مادة المنطقة النشطة الخاصة به من شبكة فائقة من زرنيخيد الغاليوم (GaAs)/زرنيخيد الغاليوم الألومنيوم (AlGaAs)، ورقاقة - مرتبطة بركيزة حاملة GaAs". طالب في ETH زيورخ ولكنه الآن زميل ما بعد الدكتوراه في مختبر جامعة هارفارد للبصريات النانوية. "باستخدام الطباعة الحجرية الضوئية والحفر الجاف، يتم تعريف دليل موجي نشط ومن ثم يتم تخطيطه باستخدام بوليمر البنزوسيكلوبوتين (BCB) منخفض الخسارة-. يتم وضع الدليل الموجي عموديًا بين طبقتين معدنيتين ممتدتين، مما يحصر الوضع البصري والميكروويف ويعمل كاتصالات كهربائية لتحيز جهاز الليزر."
يؤدي هذا التكوين إلى خسائر انتشار منخفضة، ويقلل من التشتت اللوني، ويزيد من تبديد الحرارة، ويحسن خصائص الموجات الصغرية، نظرًا لأن الليزر مضمن داخل دليل موجي موجات الميكروويف منخفض -الخسارة، ومنخفض- المعاوقة.
النمذجة النشطة
تعتمد طريقة الفريق على النمذجة النشطة، والتي تتضمن تعديل جهد انحياز الليزر عبر إشارة كهربائية خارجية لتوليد قطار من النبضات الضوئية القصيرة المتماسكة (مشط التردد). في العروض التوضيحية السابقة، لم ينجح هذا إلا إذا كان تردد إشارة التعديل متزامنًا مع الوقت الذي يستغرقه الضوء للانتقال بين مرآتي الليزر (يتم تحديده بواسطة أبعاد التجويف المادي).
يقول سينيكا: "لقد أظهرنا نظامًا جديدًا تمامًا، يمكننا من خلاله ضبط تردد معدل التكرار لقطار النبض بشكل مستمر وعلى نطاق واسع بنسبة تصل إلى 400٪". "يتم تحقيق هذا الضبط الاستثنائي من خلال تشكيل تذبذب الموجات الميكروية الدائمة على طول تجويف الليزر بأكمله، مما يؤدي إلى تأثير سحب النبض الذي يسرع أو يبطئ النبض البصري ليتزامن دائمًا مع تردد التعديل الخارجي."
التحكم في سرعة-النبضات الضوئية الموجودة على الشريحة عبر موجات الميكروويف
يقول سينيكا إن أحد أروع جوانب هذا العمل هو "أننا قادرون بشكل أساسي على التحكم في سرعة النبضات الضوئية على شريحة ضوئية باستخدام الموجات الدقيقة". "في تشبيه بسيط، يشبه الأمر موجة ماء تدفع راكب الأمواج إلى الأمام. وبمصطلحات تقنية أكثر، هناك -تحول طور يعتمد على التردد بين الموجات الدقيقة والنبض البصري، وينتج عن تدرج الكسب/الخسارة الناتج سرعة جماعية معدلة للنبضة الضوئية بحيث يتطابق معدل التكرار الجديد مع تردد الموجات الدقيقة الخارجية. وكانت لحظة الاختراق عندما تمكنا من فهم هذه العملية بشكل كامل، مع توافق جيد بين النتائج التجريبية ونتائج المحاكاة."
يعد هذا المشروع بأكمله تتويجًا لعدة سنوات من التطورات التقنية والعلمية الرئيسية، بما في ذلك التصميم والنمو الفوقي للشعاع الجزيئي للمنطقة النشطة بالليزر عريض النطاق؛ محاكاة وتصنيع وتوصيف T هرتز QCLs المسطحة؛ وعمليات محاكاة تحليلية وعددية واسعة النطاق لتجويف الليزر المعدل.
تضمن الجزء الرئيسي من عمل الفريق عمليات محاكاة متقدمة لأجهزتهم. يقول سينيكا: "على وجه الخصوص، قام المتعاونون معنا في جامعة ميونيخ التقنية في ألمانيا بتطوير نهج محاكاة جديد لنمذجة تجويف الليزر المشكل بالكامل". "يتضمن ذلك نمذجة النظام الكمي لليزر، وانتشار الموجات الميكروية، وتوليد النبض البصري-الذي يجمع بين ثلاثة مجالات مختلفة في دراسة محاكاة واحدة، مما يؤدي إلى إعادة إنتاج النتائج التجريبية بدقة وتوفير رؤى مهمة حول ديناميكيات الليزر."
تطبيقات الاتصالات والتحليل الطيفي والاستشعار في المستقبل
بفضل أجهزة الليزر النموذجية القابلة للضبط بشكل مستمر وعلى نطاق واسع، هناك العديد من التطبيقات المحتملة للاتصالات والتحليل الطيفي والاستشعار. يقول سينيكا: "بالنسبة للمجال الزمني، يمكن مزامنة قطار النبض المتماسك مع إشارة ميكروويف خارجية عشوائية أو خط تأخير قابل للضبط". "بالنسبة لمجال التردد، يمكن لتباعد الوضع القابل للضبط داخل مشط التردد إغلاق أي فجوات طيفية."
في الواقع، أظهر سينيكا وزملاؤه بالفعل تجربة مطياف الامتصاص التي لا تتطلب سوى كاشف شدة بسيط-بدلاً من أداة مطياف بحجم الطاولة-.
يقول سينيكا: "نعتقد أن نهجنا سيكون واضحًا نسبيًا أيضًا للتنفيذ مع أنواع أخرى من ليزر أشباه الموصلات عبر المناطق تحت الحمراء والمرئية من الطيف الكهرومغناطيسي، وسيمهد الطريق لمجموعة واسعة من التطبيقات". "أحد الجوانب المهمة هو تحسين خصائص الميكروويف، إلى جانب التغليف المتقدم لهذه الأجهزة."
