Новый двухрежимный лазер создает независимые гребенки AM и FM на одном устройстве

Недавно группа исследователей из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UCSB) под руководством Джона Бауэрса объявила, что они разработали лазер с синхронизацией мод на квантовых точках (QD), который способен независимо генерировать амплитудную модуляцию (АМ) и Гребенки частотной модуляции (FM) на одном устройстве. В будущем такие широкополосные двухмодовые лазеры смогут обеспечить компактные, энергоэффективные гребенки частот для кремниевых PIC в центрах обработки данных и других приложениях.
Исследователи говорят, что платформа квантовых точек (QD) позволяет вышеупомянутым устройствам по пропускной способности конкурировать с самыми совершенными лазерами с синхронизацией мод QD, раскрытыми на сегодняшний день. Ширина импульсов AM и FM, генерируемых устройствами UCSB, соответствует новейшим техническим требованиям для лазеров с синхронизацией мод QD.
Хотя гребенки оптических частот имеют широкий спектр применений в приложениях дистанционного зондирования, спектроскопии и оптической связи, оптические импульсы, доставляемые гребенками AM-частот, не подходят для систем плотного мультиплексирования с разделением по длине волны (DWDM). В этих системах используется множество микрокольцевых модуляторов, а высокая мгновенная мощность оптического импульса приводит к сильным тепловым нелинейностям.
С другой стороны, по мнению исследователей из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UCSB), формирование широкополосных гребенок оптических частот зависит от тщательного проектирования дисперсии групповой скорости (ДГС) волновода.
Это проблема для платформ, где дисперсия групповой скорости (ДГС) определяется материалом. Поэтому размер системы, вес, потребляемая мощность и стоимость (SWaP-C) гребен оптических частот должны быть улучшены, чтобы повысить вероятность их использования в промышленности.
Исследователи использовали структуру импульса столкновений, чтобы придать лазеру с синхронизацией мод квантовых точек высокую частоту повторения 60 ГГц. Это позволяет лазеру QD обеспечивать поддержку систем DWDM и уменьшать перекрестные помехи в каналах при передаче данных. Лазерный резонатор спроектирован таким образом, чтобы обеспечить оптическую полосу пропускания 3 дБ до 2,2 ТГгерц в телекоммуникационном O-диапазоне. Широкополосная FM-гребенка генерируется лазерным резонатором длиной 1,35 мм и шириной 2,6 мкм и имеет высокую эффективность проникновения в стенку - более 12 процентов.
Помимо дисперсии групповой скорости (ДГС) волновода, генерация FM-гребенки зависит от нелинейных свойств активной области лазера, включая пространственное выгорание дырок, керровские нелинейности и четырехволновое смешение. КТ Лазер с синхронизацией мод, с высокой эффективностью четырехволнового смешения ?5 дБ, способен эффективно генерировать гребенку FM.
Лазеры являются многообещающей платформой для создания гребенчатых квантовых точек (КТ) с амплитудной (АМ) и частотной модуляцией (ФМ). Механизмы этих гребен различны и определяются динамикой усиления лазера. Формирование АМ-гребенки требует медленного усиления, чего можно достичь, применяя низкий ток инжекции к секции усиления лазера КТ.
Формирование FM-гребенки основано на быстром усилении, что приводит к большим нелинейностям Керра и четырехволновому смешению. Этого можно добиться, просто контролируя усиление и отклонение насыщающегося поглотителя. Использование нелинейности Керра помогает значительно увеличить оптическую полосу пропускания с 3 дБ до 2,2 ТГц.
Исследователи также показали, как можно увеличить полосу частотной модуляции (FM) в лазере с квантовыми точками за счет учета нелинейности Керра без необходимости разработки GVD. Это было достигнуто путем подачи напряжения на насыщающуюся поглощающую часть лазера. По словам исследователей, этот подход также упрощает процесс изготовления. Огромная керровская нелинейность и свойства четырехволнового смешивания лазеров на квантовых точках делают их более подходящими для генерации FM-гребенки в диапазоне оптической связи, чем обычные диодные лазеры с квантовыми ямами.
По сравнению с FM-гребнями, созданными с помощью других технологий интегрированной оптической гребенки частот (OFC), исследователи определили, что FM-гребни на основе квантовых точек (QD) имеют превосходный SWaP-C. Широкополосные характеристики FM-гребенок делают их более подходящими для систем оптической связи высокой пропускной способности, чем обычные FM-гребенки. Кроме того, эта технология совместима с CMOS.