Выходная мощность частотно-модулированного гребня высокомощного кольцевого лазера превысила 100 мВт 

Выходная мощность частотно-модулированного гребня высокомощного кольцевого лазера превысила 100 мВт

Частотные гребни среднего инфракрасного диапазона обладают огромным потенциалом и имеют глубокое значение в области прецизионной спектроскопии на кристалле. Недавно международная исследовательская группа под руководством профессора Федерико Капассо из Гарвардского университета опубликовала результаты своих исследований в научном журнале *Optica*. Группа разработала квантово-каскадный лазер (ККЛ) «трековой» формы, изготовленный с использованием технологии сухого травления. Применив методы резонансной радиочастотной (РЧ) инжекции, исследователи успешно сгенерировали частотно-модулированный оптический гребень в среднем ИК-диапазоне, демонстрирующий характеристики однонаправленного квантового блуждания. Благодаря эффективной конструкции волноводного направленного ответвителя система достигла непрерывной выходной мощности, превышающей 100 мВт при комнатной температуре, при этом качество пучка оказалось сопоставимым с качеством пучка традиционных лазеров Фабри — Перо. Кроме того, устройство продемонстрировало динамическое управление направлением генерации на «цифровом» уровне, а также проявило внутреннюю, абсолютную невосприимчивость к оптической обратной связи с экстремально большой задержкой. Эта серия технологических прорывов создает идеальную основу для разработки полностью интегрированных спектрометров с двумя частотными гребнями.

Дилемма «мощности и управления» в кольцевых лазерах

Полупроводниковые лазеры уже давно рассматриваются как весьма перспективные источники оптических частотных гребней благодаря своим компактным размерам, эксплуатационной гибкости и исключительно широкому спектральному охвату. В частности, квантово-каскадные лазеры (ККЛ), характеризующиеся сверхбыстрым временем восстановления усиления (пикосекундного масштаба), способны достигать режима самосинхронизации мод при подаче чистого постоянного напряжения смещения, тем самым генерируя частотно-модулированные оптические гребни.

В отличие от традиционных резонаторов Фабри — Перо, структуры с кольцевым резонатором поддерживают однонаправленное распространение световых волн; эта особенность позволяет эффективно сглаживать проблемы, связанные с конкуренцией усиления и нестабильностью одномодового режима, которые часто провоцируются эффектами пространственного выжигания провала. Однако для обеспечения стабильности однонаправленной генерации в большинстве предыдущих конструкций кольцевых ККЛ в значительной степени полагались на потери на изгибах волновода для осуществления вывода оптического излучения. И хотя в таких конструкциях уровень циркулирующей мощности внутри резонатора может достигать сотен милливатт, фактически полезная мощность, выводимая через выходной торец, часто оказывается жестко ограничена уровнем ниже одного милливатта. Следовательно, поддержание однонаправленности при одновременном обеспечении гибкого управления направлением излучения — особенно в условиях работы на высокой мощности — стало одной из главных задач, стоящих перед исследователями в этой области. Чтобы преодолеть это ограничение, исследовательская группа предложила инновационную конструкцию резонатора в форме «ипподрома», включающую направленный волноводный ответвитель. Благодаря протяженному прямому участку связи длиной 1,5 мм, внутрирезонаторное лазерное излучение эффективно выводится наружу и экстрагируется. Экспериментальные результаты продемонстрировали, что при комнатной температуре выходная мощность непрерывного излучения с одного торца волновода устройства достигла 105,6 мВт.

Наряду со значительным увеличением выходной мощности, была также существенно оптимизирована эффективность высокочастотной радиочастотной (РЧ) модуляции системы. Поскольку процессы одноэтапного сухого травления, как правило, несовместимы с последующим эпитаксиальным переростом, ранние образцы устройств страдали от недостаточной толщины изолирующих слоев на боковых стенках, что приводило к крайне низким граничным частотам РЧ-диапазона. Для решения этой проблемы исследователи нанесли в области модуляции устройства специальный пассивирующий слой из Si₃N₄ толщиной 1500 нм. Эта мера позволила кардинально снизить паразитную емкость, связанную с электродными контактами, и успешно добиться скачкообразного расширения полосы модуляции до уровня свыше 10 ГГц.

Благодаря этой оптимизации, при подаче в устройство РЧ-сигнала, находящегося в резонансе с частотой обхода кольцевого резонатора, спектр лазерного излучения стремительно расширяется — главным образом за счет сильных нелинейных эффектов Керра, — формируя оптический частотный гребень типа «квантовое блуждание» (quantum walk). Этот гребень охватывает диапазон свыше 30 см⁻¹ и обладает огибающей, идеально соответствующей распределению Эрмита — Гаусса. Экспериментальная проверка с использованием методов реконструкции формы сигнала SWIFTS однозначно подтвердила, что данные оптические гребни демонстрируют характерные признаки частотной модуляции.

Для перехода спектроскопического источника света из сферы научных исследований в область практического применения высокая выходная мощность служит лишь базовым требованием; не менее критически важными являются точный контроль над состоянием генерации и высокая устойчивость к сложным внешним возмущениям. Исследовательская группа разработала оригинальную конструкцию шинного волновода, оснащенную тремя независимыми электродами смещения, расположенными слева, по центру и справа. Подавая на эти электроды асимметричные напряжения смещения, исследователи получают возможность независимо регулировать уровень спонтанного излучения, возвращающегося в резонатор в различных точках вдоль волновода. Этот механизм позволяет оператору без каких-либо усилий переключать направление лазерной генерации — чередуя режимы вращения по часовой стрелке и против нее — подобно переключению цифрового тумблера, и при этом не ухудшая ключевые рабочие характеристики устройства, такие как ширина полосы оптического гребня, его мощность или частота повторения импульсов. Поскольку система неизменно функционирует в режиме однонаправленной генерации, любой отраженный свет, возвращающийся в резонатор «гоночная трасса», распространяется в направлении, противоположном исходной лазерной генерации. Следовательно, этот отраженный свет не вступает в какие-либо деструктивные физические взаимодействия с активным оптическим полем. Для подтверждения этой характеристики исследователи разместили зеркало на расстоянии 10 см от торца волновода, отразив до 95% выходного излучения обратно в волновод с целью проведения исключительно жесткого испытания в условиях экстремальной оптической обратной связи. Результаты продемонстрировали, что независимо от характера изменения фазовых условий обратной связи спектральный профиль оптического гребня оставался совершенно неизменным, тем самым подтвердив абсолютную невосприимчивость системы к запаздывающей оптической обратной связи.