Multimodal semiconductor ring lasers: an analytical study

 

Halfgeleider ringlaser: de toekomst in optische dataverwerking

 

Halfgeleider lasers maken een zeer belangrijk deel uit van de hedendaagse technologie

en zijn omnipresent in het dagelijkse leven. Ze zijn veruit het meest voorkomende type

laser en zullen ongetwijfeld nog gedurende lange tijd een zeer belangrijke rol spelen in

toekomstige technologische ontwikkelingen. Zo kunnen lasers beschouwd worden als

een van de sleutelelementen in de overgang van elektronische naar optische

dataverwerking. Men poogt al langer om het verwerken van data en signalen volledig

optisch te laten gebeuren vanwege de immense snelheden die daarmee gepaard

zouden kunnen gaan. In de jaren ‘80 werd voor het eerst een nieuwe soort laser

gedemonstreerd, namelijk de ringlaser. Zulke toestellen staan sinds geruime tijd in het

centrum van de belangstelling door hun potentiële applicaties in geïntegreerde

fotonische circuits. Hun dimensies en werkingsprincipe laten het toe om de laser te gaan

integreren op een chip en op die manier aan optische dataverwerking te gaan doen.

Lasers bestaan steeds uit drie vitale onderdelen. Ten eerste is er de caviteit of

resonator. Dit is een mechanische constructie die het licht opsluit in een bepaalde

ruimte. In conventionele opstellingen wordt de caviteit meestal gevormd door twee

spiegels waartussen het licht heen en weer ‘botst’, we spreken dan van een Fabry-Perot

caviteit. Het tweede onderdeel is een koppeling van het licht in de caviteit naar de

buitenwereld toe. Dit kan verwezenlijkt worden door een van de spiegels gedeeltelijk

transparant te maken, waardoor een deel van het licht in de caviteit blijft en een deel

ontsnapt naar de buitenwereld toe. Ten derde moet er in de caviteit een bepaald

materiaal aanwezig zijn dat het licht telkens bij elke doorgang zal versterken, ook wel het

actieve materiaal genoemd.

De ring laser beantwoordt nog steeds aan deze drie noodzakelijkheden, met dat verschil

dat de resonator niet langer bestaat uit twee tegenover elkaar geplaatste spiegels, maar

uit een ringvormig traject, zoals te zien in het centrum van figuur 1. Het licht reist in een

cirkel en komt op die manier weer bij het beginpunt. In het traject bevindt zich ook het

actieve materiaal voor versterking en op een bepaalde plaats wordt een deel van het

licht uit de caviteit gekoppeld, we spreken van de uitgangskoppelaar. Als gevolg van

deze structuur zijn reflectoren of spiegels overbodig geworden, wat de ringlaser zeer

attractief maakt voor applicaties in geïntegreerde optica aangezien het maken van

spiegels daar een van de moeilijkheden is. Verschillende caviteitsgeometrieën kunnen

gebruikt worden, zoals een cirkel, een racetrack, een vierkant of een driehoek.

Figuur 1: Ringlaser voor optisch schakelen. (SRL = Semiconductor Ring Laser)

T. Pérez, A. Scirè, G. Van der Sande, P. Colet, and C. R. Mirasso, "Bistability and all-optical switching in

semiconductor ring lasers," Opt. Express 15, 12941-12948 (2007)

In een ringvormige caviteit is de situatie volkomen verschillend van de meer gebruikte

Fabry-Perot setup. Terwijl in een Fabry-Perot caviteit het licht heen en weer ‘botst’

tussen twee spiegels, volgt het licht in een ringlaser een gesloten traject. Een uitermate

belangrijke consequentie van deze constructie is het feit dat op deze manier twee

modes, dus twee lichtgolven, propagerend in de tegengestelde richting, gelijktijdig

aanwezig kunnen zijn. Een bepaalde golf kan in wijzerszin propageren, terwijl een

gelijkaardige golf zich in tegenwijzerszin voortplant zonder de andere mode te ‘voelen’.

Dit worden directionele modes genoemd. Indien de resonator opgebouwd is door

gebruik te maken van twee spiegels zal het licht ook in twee richtingen reizen, maar

samen vormen de lichtgolven een mode. Wanneer er een perturbatie aanwezig is in het

voorwaarts reizende licht, zal deze doorgegeven worden aan het achterwaarts

propagerende licht na reflectie. In een perfecte ringresonator is er in principe geen

directe koppeling tussen de modes die in tegengestelde richting reizen en kunnen ze

naast elkaar bestaan.

In de reële situatie echter zullen er wel verschillende vormen van koppeling aanwezig

zijn omdat de caviteit imperfecties bevat. De ring is geen perfecte ring en af en toe wordt

een deel van de ene mode omgezet in de andere mode die in de tegengestelde richting

reist door ongewenste reflecties. Hoewel dit een zeer voor de handliggende oorzaak is

voor het feit dat er in de ringlaser toch koppeling aanwezig is, is er nog een belangrijker

fenomeen. Een bepaalde lichtgolf wordt door het actieve materiaal versterkt. Hoe meer

elektrische stroom we door dit materiaal sturen, hoe meer het licht zal versterkt worden.

Echter bij hoge stromen zal er saturatie optreden. De intensiteit van het licht is dan

reeds zo hoog dat meer stroom niet meer zal baten om de intensiteit nog meer te

vergroten. Men zegt dan dat de mode zijn eigen winst satureert. Ook in de ringlaser is dit

van groot belang aangezien een bepaalde mode niet alleen zijn eigen winst zal

satureren, maar ook die van de mode die in de andere richting reist. Indien een

bepaalde mode reeds aan het lasen is met hoge intensiteit, zal die ervoor zorgen dat de

andere mode minder optische winst ervaart en dus moeilijker kan bijbenen.

Dit laatste geeft aanleiding tot een zeer belangrijk effect. Hoewel eerder vermeld werd

dat de twee modes idealiter naast elkaar kunnen bestaan, zal in de reële situatie een

mode de andere onderdrukken, bijvoorbeeld de mode in wijzerszin onderdrukt de mode

in tegenwijzerszin. Onderzoek van de dynamica van deze situatie toont aan dat er een

bistabiele situatie aanwezig is. Dit betekent in essentie dat zowel de situatie waarin de

ene mode de andere onderdrukt als de omgekeerde situatie mogelijk is. Door met

behulp van koppelaars pulsen in de ringlaser te sturen, kan men de laser dwingen om of

in wijzerszin te lasen, of in tegenwijzerszin. Dit biedt aanzienlijke perspectieven, want op

deze manier hebben we een optisch geheugen gefabriceerd. Uit de richting waarin het

toestel aan het lasen is, kunnen afleiden of er een eerder verzonden puls was en uit

welke richting hij kwam.

Ons onderzoek heeft zich toegespitst op de verschillende parameters die gekend dienen

te zijn om het toestel in de bistabiele situatie te brengen. Naast de bistabiele situatie

waarin een van de modes de andere onderdrukt zijn er ook nog regimes waarin beide

modes gelijktijdig lasen, waarin de intensiteiten gaan oscilleren enz. Er werden

algoritmen ontwikkeld die aan de hand van de saturatiesterktes en reflecties kunnen

voorspellen bij welke stromen deze regimes zullen optreden. Het spreekt voor zich dat

dit niet enkel interessant is vanuit wetenschappelijk-informatief oogpunt, maar ook voor

toekomstige technologieën gebaseerd op de hierboven besproken effecten. Het verder

optimaliseren van halfgeleider ringlasers en hun opstellingen zal uiteindelijk leiden tot

optische geheugens en toestellen voor all-optical switching die een belangrijke bijdrage

zullen leveren in de ontwikkeling van optische dataverwerking.