Лазер на квантовых точках (КТ) является перспективной платформой для создания как частотно-модулированных (ЧМ), так и амплитудно-модулированных (АМ) гребенок. Механизмы этих гребенок различны и определяются динамикой усиления лазера. Формирование АМ-гребенки требует медленного усиления, чего можно добиться, подав слабый ток инжекции в секцию усиления лазера на КТ. Формирование FM-гребенки основано на быстром усилении для создания гигантской керровской нелинейности и четырехволнового смешения. Этого можно добиться, просто управляя смещениями усиления и насыщающегося поглотителя. Разработка керровской нелинейности способствует значительному улучшению оптической полосы пропускания с 3 дБ до 2,2 ТГц.
Авторы и права: Божанг Донг, Марио Дюмон, Усама Терра, Хеминг Ван, Эндрю Нетертон и Джон Э. Бауэрс.

С момента появления лазерной гребенки частоты в конце 1990-х годов она произвела революцию в точном измерении частоты и времени. Помимо их первоначального использования в оптических часах и прецизионной спектроскопии, оптические частотные гребенки (OFC) продемонстрировали большой потенциал для различных приложений, включая ультрафиолетовую и инфракрасную (ИК) спектроскопию, дистанционное зондирование, синтез оптических частот и высокоскоростную оптическую связь.

Однако сильные оптические импульсы, передаваемые OFC с амплитудной модуляцией (AM), не подходят для систем плотного мультиплексирования с разделением по длине волны (DWDM), в которых развернуто множество микрокольцевых модуляторов. Это связано с тем, что высокая мгновенная мощность оптических импульсов привела бы к сильной тепловой нелинейности.

С другой стороны, формирование широкополосного OFC зависит от тщательного проектирования дисперсии групповой скорости (GVD) волновода, что является сложной задачей для платформ, где GVD в основном определяется материалом. Следовательно, размер системы, вес, энергопотребление и стоимость (SWaP-C) OFC должны быть улучшены для использования OFC в промышленности.

В новой статье, опубликованной в журнале Light: Science & Applications, группа ученых под руководством профессора Джона Бауэрса из Института энергоэффективности Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, США, разработала частотно-модулированную (FM) гребенку на основе усовершенствованного лазера на квантовых точках (КТ). Правильная конструкция лазерного резонатора обеспечивает рекордную оптическую полосу пропускания 3 дБ на частоте 2,2 ТГц в телекоммуникационном O-диапазоне.

Разнос каналов достигает 60 ГГц, что позволяет устранить перекрестные помехи при передаче данных. Что еще более интересно, эта квазинепрерывная ЧМ-гребенка не выдает сильных оптических импульсов, что благоприятно для интегрированной системы DWDM.

Используя преимущества лазера на квантовых точках, широкополосная ЧМ-гребенка генерируется из лазерного резонатора длиной 1,35 мм и шириной 2,6 мкм, а также с высокой эффективностью настенной розетки более 12%. По сравнению с другими интегрированными OFC-технологиями заявленная FM-гребенка на основе QD-лазера демонстрирует превосходный SWaP-C, который является решением, используемым как академическими кругами, так и промышленностью.

Замечательные свойства материала КТ делают его многообещающей платформой для создания FM-гребенки. Сверхбыстрая динамика усиления допускает гигантскую керровскую нелинейность и четырехволновое смешение, что делает лазер на КТ лучшим кандидатом для генерации ЧМ-гребенки в оптическом диапазоне связи, чем обычные диодные лазеры с квантовыми ямами.

Важно отметить, что описанный подход позволяет нам улучшить оптическую полосу пропускания без необходимости тщательного проектирования дисперсии волновода. Это достижение реализовано за счет инженерной нелинейности Керра, которой можно просто управлять с помощью напряжения, приложенного к секции насыщающегося поглотителя лазера. Таким образом, этот подход уменьшает проблемы в процессе изготовления. Эти ученые комментируют свои достижения в этой работе:

«Это эволюция мышления. Первый лазер с синхронизацией мод был продемонстрирован в 1963 году, с тех пор был достигнут огромный прогресс модуляции. Тем не менее, мы показываем, что это не обязательно. FM (частотно-модулированный) лазер с синхронизацией мод переживает ренессанс. Его природа заключается в предоставлении широкополосного спектра с плоской вершиной наряду с квази- непрерывное излучение».

«Несмотря на демонстрацию FM-гребенки в квантовых каскадных лазерах среднего ИК-диапазона, FM-природа ближних инфракрасных лазеров с синхронизацией мод на КТ не была полностью использована. Мы пытаемся понять это и применить FM-лазер с синхронизацией мод к высокоскоростным PIC (фотонные интегральные схемы) для центров обработки данных», — добавили они.

«Представленный метод решает проблемы, с которыми сталкиваются OFC на PIC, и он совместим со зрелой отраслью CMOS. Наши результаты дают новое представление об улучшении лазеров с FM-синхронизацией мод для PIC. Этот прорыв может открыть новую площадку для следующего поколения PIC для связи 5G/6G, искусственного интеллекта и автономного вождения», — говорят ученые.