Το νέο λέιζερ διπλής λειτουργίας παράγει ανεξάρτητες χτένες AM και FM στην ίδια συσκευή

Πρόσφατα, μια ομάδα ερευνητών στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα (UCSB), με επικεφαλής τον Τζον Μπάουερς, ανακοίνωσε ότι έχει αναπτύξει ένα λέιζερ κλειδωμένου με λειτουργία κβαντικής κουκκίδας (QD) που είναι ικανό να παράγει ανεξάρτητα διαμόρφωση πλάτους (AM) και χτένες διαμόρφωσης συχνότητας (FM) στην ίδια συσκευή. Στο μέλλον, τέτοια ευρυζωνικά λέιζερ διπλής λειτουργίας θα μπορούσαν να παρέχουν συμπαγείς, ενεργειακά αποδοτικές χτένες συχνότητας για PIC πυριτίου σε κέντρα δεδομένων και άλλες εφαρμογές.
Οι ερευνητές λένε ότι η πλατφόρμα της κβαντικής κουκκίδας (QD) επιτρέπει στο εύρος ζώνης των παραπάνω συσκευών να συναγωνιστεί τα πιο ανώτερα λέιζερ με κλειδωμένη λειτουργία QD που έχουν αποκαλυφθεί μέχρι σήμερα. Τόσο τα πλάτη παλμών AM όσο και FM που δημιουργούνται στις συσκευές UCSB πληρούν τις πιο πρόσφατες τεχνικές απαιτήσεις για λέιζερ με κλειδωμένη λειτουργία QD.
Αν και οι χτένες οπτικής συχνότητας έχουν ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών σε εφαρμογές τηλεπισκόπησης, φασματοσκοπίας και οπτικών επικοινωνιών, οι οπτικοί παλμοί που παρέχονται από χτένες συχνότητας AM δεν είναι ευνοϊκοί για συστήματα πολυπλεξίας με διαίρεση πυκνού μήκους κύματος (DWDM). Αυτά τα συστήματα χρησιμοποιούν πολλούς διαμορφωτές μικροδακτυλίων και η υψηλή στιγμιαία ισχύς του οπτικού παλμού παράγει ισχυρές θερμικές μη γραμμικότητες.
Από την άλλη πλευρά, σύμφωνα με ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα (UCSB), ο σχηματισμός ευρυζωνικών χτενών οπτικής συχνότητας βασίζεται στον προσεκτικό σχεδιασμό της ομαδικής διασποράς ταχύτητας (GVD) του κυματοδηγού.
Αυτή είναι μια πρόκληση για πλατφόρμες όπου η ομαδική διασπορά ταχύτητας (GVD) καθορίζεται από το υλικό. Επομένως, το μέγεθος του συστήματος, το βάρος, η κατανάλωση ενέργειας και το κόστος (SWaP-C) των χτενών οπτικής συχνότητας πρέπει να βελτιωθούν για να αυξηθεί η πιθανότητα χρήσης τους στη βιομηχανία.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια δομή παλμού σύγκρουσης για να δώσουν στο λέιζερ κλειδωμένου με λειτουργία κβαντικής κουκκίδας μια γρήγορη συχνότητα επανάληψης 60 GHz. Αυτό επιτρέπει στο λέιζερ QD να παρέχει υποστήριξη για συστήματα DWDM και να μειώνει τη συνομιλία καναλιών στη μετάδοση δεδομένων. Η κοιλότητα λέιζερ έχει σχεδιαστεί για να επιτρέπει ένα οπτικό εύρος ζώνης 3 db έως και 2,2 terahertz στη ζώνη O των τηλεπικοινωνιών. Η ευρυζωνική χτένα FM δημιουργείται από μια κοιλότητα λέιζερ μήκους 1,35 mm και πλάτους 2,6 μm και έχει υψηλή απόδοση εισαγωγής στον τοίχο άνω του 12 τοις εκατό.
Εκτός από την ομαδική διασπορά ταχύτητας (GVD) του κυματοδηγού, η δημιουργία της χτένας FM βασίζεται στις μη γραμμικές ιδιότητες της ενεργού περιοχής του λέιζερ, συμπεριλαμβανομένης της χωρικής καύσης οπών, των μη γραμμικοτήτων Kerr και της ανάμειξης τεσσάρων κυμάτων. Η QD Το λέιζερ κλειδώματος λειτουργίας, με υψηλή απόδοση μίξης τεσσάρων κυμάτων ~5 dB, είναι σε θέση να παράγει αποτελεσματικά τη χτένα FM.
Τα λέιζερ είναι μια πολλά υποσχόμενη πλατφόρμα για τη δημιουργία κβαντικών κουκκίδων (QDs) που διαμορφώνονται με πλάτος (AM) και διαμορφώνονται με βάση τη συχνότητα (FM). Οι μηχανισμοί αυτών των χτενών είναι διαφορετικοί και καθορίζονται από τη δυναμική απολαβής του λέιζερ. Ο σχηματισμός χτένας AM απαιτεί ένα αργό κέρδος, το οποίο μπορεί να επιτευχθεί με την εφαρμογή ενός ρεύματος χαμηλής έγχυσης στο τμήμα απολαβής του λέιζερ QD.
Ο σχηματισμός χτένας FM βασίζεται στο γρήγορο κέρδος για την παραγωγή μεγάλων μη γραμμικοτήτων Kerr και μίξης τεσσάρων κυμάτων. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί ελέγχοντας απλώς το κέρδος και την απόκλιση στον κορεσμένο απορροφητή. Η μηχανική της μη γραμμικότητας Kerr βοηθά στη δραματική αύξηση του οπτικού εύρους ζώνης των 3 db στα 2,2 terahertz.
Οι ερευνητές έδειξαν επίσης πώς το εύρος ζώνης χτένα διαμόρφωσης συχνότητας (FM) σε ένα λέιζερ QD μπορεί να αυξηθεί με τη μηχανική της μη γραμμικότητας Kerr χωρίς την ανάγκη μηχανικής GVD. Αυτό επιτεύχθηκε με την εφαρμογή τάσης στο κορεσμένο τμήμα απορρόφησης του λέιζερ. Αυτή η προσέγγιση μειώνει επίσης την πρόκληση της διαδικασίας κατασκευής, λένε οι ερευνητές. Η τεράστια μη γραμμικότητα Kerr και οι ιδιότητες ανάμειξης τεσσάρων κυμάτων των λέιζερ κβαντικής κουκκίδας τα καθιστούν πιο κατάλληλα για τη δημιουργία χτένας FM στη ζώνη οπτικών επικοινωνιών από τα συμβατικά λέιζερ διόδων κβαντικών πηγαδιών.
Σε σύγκριση με τις χτένες FM που παράγονται από άλλες τεχνολογίες ολοκληρωμένης χτένας οπτικής συχνότητας (OFC), οι ερευνητές προσδιόρισαν ότι οι χτένες FM που βασίζονται σε λέιζερ κβαντικής κουκκίδας (QD) έχουν ανώτερο SWaP-C. Τα ευρυζωνικά χαρακτηριστικά των χτενών FM τις καθιστούν πιο κατάλληλες για συστήματα οπτικών επικοινωνιών υψηλής χωρητικότητας από τις συμβατικές χτένες FM. Επιπλέον, η τεχνολογία είναι ικανή για συμβατότητα CMOS.