Neuer Dual-Mode-Laser erzeugt unabhängige AM- und FM-Kämme auf demselben Gerät

Kürzlich gab ein Forscherteam der University of California, Santa Barbara (UCSB) unter der Leitung von John Bowers bekannt, dass sie einen modengekoppelten Quantenpunktlaser (QD) entwickelt haben, der in der Lage ist, unabhängig Amplitudenmodulation (AM) und zu erzeugen Frequenzmodulation (FM) kämmt auf demselben Gerät. In Zukunft könnten solche breitbandigen Dual-Mode-Laser kompakte, energieeffiziente Frequenzkämme für Silizium-PICs in Rechenzentren und anderen Anwendungen bereitstellen.
Die Forscher sagen, dass die Quantenpunktplattform (QD) es der Bandbreite der oben genannten Geräte ermöglicht, mit den überlegensten QD-modengekoppelten Lasern mitzuhalten, die bisher veröffentlicht wurden. Sowohl die in den UCSB-Geräten erzeugten AM- als auch FM-Pulsbreiten erfüllen die neuesten technischen Anforderungen für QD-modengekoppelte Laser.
Obwohl optische Frequenzkämme ein breites Anwendungsspektrum in der Fernerkundung, Spektroskopie und optischen Kommunikationsanwendungen haben, sind von AM-Frequenzkämmen gelieferte optische Impulse für DWDM-Systeme (Dense Wavelength Division Multiplexing) nicht geeignet. Diese Systeme verwenden viele Mikroringmodulatoren und die hohe Momentanleistung des optischen Impulses erzeugt starke thermische Nichtlinearitäten.
Andererseits beruht die Bildung breitbandiger optischer Frequenzkämme laut Forschern der University of California, Santa Barbara (UCSB) auf der sorgfältigen Gestaltung der Gruppengeschwindigkeitsdispersion (GVD) des Wellenleiters.
Dies stellt eine Herausforderung für Plattformen dar, bei denen die Gruppengeschwindigkeitsdispersion (GVD) durch das Material bestimmt wird. Daher müssen Systemgröße, Gewicht, Stromverbrauch und Kosten (SWaP-C) optischer Frequenzkämme verbessert werden, um die Wahrscheinlichkeit ihres Einsatzes in der Industrie zu erhöhen.
Die Forscher verwendeten eine Kollisionsimpulsstruktur, um dem modengekoppelten Quantenpunktlaser eine schnelle Folgefrequenz von 60 GHz zu verleihen. Dadurch kann der QD-Laser DWDM-Systeme unterstützen und Kanalübersprechen bei der Datenübertragung reduzieren. Der Laserhohlraum wurde so konzipiert, dass er eine optische Bandbreite von 3 dB und bis zu 2,2 Terahertz im Telekommunikations-O-Band ermöglicht. Der breitbandige FM-Kamm wird durch einen 1,35 mm langen und 2,6 μm breiten Laserhohlraum erzeugt und weist einen hohen Wandeinfügungswirkungsgrad von mehr als 12 Prozent auf.
Zusätzlich zur Gruppengeschwindigkeitsdispersion (GVD) des Wellenleiters beruht die Erzeugung des FM-Kamms auf den nichtlinearen Eigenschaften des aktiven Bereichs des Lasers, einschließlich räumlicher Lochverbrennung, Kerr-Nichtlinearitäten und Vierwellenmischung. Die QD Ein modengekoppelter Laser mit einer hohen Vierwellen-Mischeffizienz von ?5 dB ist in der Lage, den FM-Kamm effizient zu erzeugen.
Laser sind eine vielversprechende Plattform zur Erzeugung amplitudenmodulierter (AM) und frequenzmodulierter (FM) Kammquantenpunkte (QDs). Die Mechanismen dieser Kämme sind unterschiedlich und werden durch die Verstärkungsdynamik des Lasers bestimmt. Die AM-Kammbildung erfordert eine langsame Verstärkung, die durch Anlegen eines niedrigen Injektionsstroms an den Verstärkungsabschnitt des QD-Lasers erreicht werden kann.
Die FM-Kammbildung beruht auf einer schnellen Verstärkung, um große Kerr-Nichtlinearitäten und eine Vierwellenmischung zu erzeugen. Dies kann durch einfache Steuerung der Verstärkung und der Abweichung am sättigbaren Absorber erreicht werden. Die Technik der Kerr-Nichtlinearität trägt dazu bei, die optische Bandbreite von 3 dB drastisch auf 2,2 Terahertz zu erhöhen.
Die Forscher zeigten auch, wie die Kammbandbreite der Frequenzmodulation (FM) in einem QD-Laser durch die Entwicklung der Kerr-Nichtlinearität erhöht werden kann, ohne dass eine GVD-Technik erforderlich ist. Dies wurde durch Anlegen einer Spannung an den sättigbaren Absorptionsteil des Lasers erreicht. Dieser Ansatz reduziert auch die Herausforderung des Herstellungsprozesses, sagen die Forscher. Die enorme Kerr-Nichtlinearität und die Vierwellen-Mischeigenschaften von Quantenpunktlasern machen sie für die FM-Kammerzeugung im optischen Kommunikationsband besser geeignet als herkömmliche Quantentopf-Diodenlaser.
Im Vergleich zu FM-Kämmen, die durch andere OFC-Technologien (Integrated Optical Frequency Comb) erzeugt werden, stellten die Forscher fest, dass FM-Kämme auf Quantenpunktlaserbasis (QD) ein überlegenes SWaP-C aufweisen. Aufgrund ihrer Breitbandeigenschaften eignen sich FM-Kämme besser für optische Kommunikationssysteme mit hoher Kapazität als herkömmliche FM-Kämme. Darüber hinaus ist die Technologie CMOS-kompatibel.