CN102394471B - 量子级联激光器全光相位调制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种量子级联激光器全光相位调制系统,其包括量子级联激光器和外调制光源。在传统的量子级联激光器基本结构上，制作量子级联激光器工作区、量子级联激光器全光相位调制区和量子级联激光器全光相位调制光窗口。利用外调制光源产生强度调制的调制光，透过量子级联激光器全光相位调制光窗口，在量子级联激光器的整个全光相位调制区激光增益介质内激发自由电子和空穴，改变导带（电子）与价带（空穴）的载流子浓度，从而改变量子级联激光器谐振腔内红外激光的有效折射率，实现对量子级联激光器高速、高调制系数的相位调制。该量子级联激光器全光相位调制系统，可应用于高灵敏度红外激光光谱技术和自由空间高速调频红外光通讯。
Description
技术领域
本发明属于红外激光光谱技术、自由空间红外光通讯技术领域，特别是涉及一种基于红外量子级联激光器的全光相位调制系统，该系统能实现高速、高调制系数的红外量子级联激光器相位调制，可应用于高灵敏度红外激光光谱技术和自由空间高速调频红外光通讯。
背景技术
现有技术中，尚无法实现量子级联激光器高速纯相位调制。目前的相位调制，通常是采用施加正弦电流来改变量子级联激光器谐振腔温度或载流子（电子）浓度，进而改变量子级联激光器谐振腔有效腔长，从而实现的激光输出的相位调制。然而，由于量子级联激光器自身寄生电容的影响，大大限制了调制的速度，因此采用电流调制，难以实现高速的相位调制。
采用全光调制的方法对量子级联激光器进行快速的波长调制虽然已有报道，然而，所报道的调制方法，由于调制光束在量子级联激光器中穿透深度的限制，无法实现较大的相位调制系数。并且该方法在产生相位调制的同时，无法避免对量子级联激光器输出光强的改变，因此难以实现单纯的相位调制。这些使得在红外光谱范围内，难以获得一种高速、高调制系数的纯相位调制技术，大大限制了红外激光光谱技术和自由空间红外光通讯技术的发展。
技术背景参考文献：
[1] F. Capasso, D. L. Sivco, C. Sirtori, A. L. Hutchinson, and A.Y. Cho. Quantum Cascade Laser (量子级联激光器), Science（自然杂志）, 1994, 264: 553~556.
[2] G. Chen, R. Martini, Seong-wook Park, Clyde G. Bethea, I.-Chun A. Chen, P. D. Grant, R. Dudek, and H. C. Liu. Optically induced fast wavelength modulation in a quantum cascade laser (光致量子级联激光器快速波长调制), Appl Phys Lett（应用物理快报）, 2010, 97: 011102。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供的一种高速、高调制系数的红外激光相位调制系统，可应用于高灵敏度红外激光光谱技术和自由空间高速调频红外光通讯。
本发明通过以下技术方案来加以实现：
一种量子级联激光器全光相位调制系统，其包括量子级联激光器和外调制光源；其特征在于：
所述量子级联激光器是一全光相位调制量子级联激光器，其结构分为三部分：量子级联激光器工作区、量子级联激光器全光相位调制区和量子级联激光器全光相位调制光窗口。上述三部分结构是以一个完整的量子级联激光器基本结构为基础，经以下改进而形成：在沿激光器谐振腔方向，将一个完整的量子级联激光器基本结构分为紧邻的前后两段，后一段在上下表面（与常规的量子级联激光器一样）制作有一对电极，施加偏置电流后可使该段量子级联激光器工作在阈值以上，该段即为所述量子级联激光器工作区；前一段无电极，用于实现全光相位调制，为量子级联激光器全光相位调制区；在量子级联激光器全光相位调制区激光器谐振腔的侧壁经过切割后形成一透射光窗口，作为量子级联激光器全光相位调制光窗口。
所述外调制光源按光的走向依次包括：激光器电源及控制单元、全光调制激光器、光纤耦合器和光纤，其中激光器电源及控制单元对全光调制激光器输出光强进行调制形成调制光，所述光纤的出射端直接对准量子级联激光器全光相位调制光窗口。
在量子级联激光器工作区施加直流偏置电流，使激光器工作在阈值以上，输出功率稳衡的红外激光；激光器电源及控制单元对全光调制激光器输出光强进行调制，形成调制光；调制光经过光纤耦合器进入光纤；由光纤的出射端直接将调制光输进量子级联激光器全光相位调制光窗口，进入到量子级联激光器全光相位调制区，对其包含的激光器谐振腔部分的红外激光折射率进行调制，实现对量子级联激光器输出红外激光的相位调制。
本发明所述的全光相位调制量子级联激光器的激光谐振腔内的基本结构与基于常规量子级联激光器基本结构相同，均由若干对注入区和有源区串联组成（每一对注入区和有源区，参见图2），每个区中有相应的电子能带。注入区和有源区的导带能级分别为 和
，注入区和有源区的价带能级分别为
和
，其中k、i、j和l为正整数，其取值范围由激光器中的注入区和有源区能级数目决定。激光器的上能级和下能级位于有源区导带中，分别由
和
表示。本发明的特点之一是在常规量子级联激光器基本结构的基础上，将其在沿激光器谐振腔方向分为紧邻的前后两段，后一段在上下表面（与常规的量子级联激光器一样）制作有一对电极，作为量子级联激光器工作区1，前一段没有电极，作为量子级联激光器全光相位调制区2。这样，由于在量子级联激光器全光相位调制区2中，由于没有偏置电流，在导带种电子基本都集中在注入区和有源区的基态
和上，其它导带能带基本为空。用一束调制光，其光子能量大于或等于量子级联激光器带间跃迁所需能量（通常为近红外光或可见光），通过光致带间电子跃迁，可以将电子从价带能级和
分别激发到导带能级
和
，从而在导带中产生更多的自由电子，改变导带的电子浓度，同时在价带产生空穴，增加了价带空穴浓度。量子级联激光器全光相位调制区2内两种载流子浓度的增加都会导致量子级联激光器输出红外激光的在该区域内折射率的变小，使量子级联激光器谐振腔有效腔长减小，导致输出量子级联激光器波长变短（蓝移）。由于电子-空穴复合的时间很短，因此这种折射率变化会很快，量子级联激光器激光输出波长（或光频率）变化的也会很快。
本发明利用量子级联激光器全光相位调制区的光致带间电子跃迁，其响应速度不受量子级联激光器寄生电容的影响，只取决于电子与空穴复合的时间。
而且在量子级联激光器全光相位调制区进行全光相位调制，可避免常规量子级联激光器在激光工作区进行全光调制而导致的激光输出强度变化，从而实现单纯的相位调制。
并且，本发明在量子级联激光器全光相位调制区的激光谐振腔侧壁制作量子级联激光器全光相位调制光窗口，使调制光（其穿透深度约为几十个微米）在激光器宽度方向能够完全进入激光器谐振腔（谐振腔宽度约为二十个微米）对整个调制区的折射率进行调制，同时可以通过增加全光相位调制区的长度，使得在调制光作用下能够很大地改变量子级联激光器谐振腔的有效腔长，实现高的相位调制系数。而且该窗口的制作不会影响量子级联激光器的性能（见参考文献Raffaele Colombelli, Federico Capasso, Claire Gmachl, Alessandro Tredicucci, A. Michael Sergent, Albert L. Hutchinson, Deborah L. Sivco, and Alfred Y. Cho，Intersubband electroluminescence from long-side-cleaved quantum-cascade lasers above threshold: Investigation of phonon bottleneck effects（沿侧壁切割得量子级联激光器在阈值以上的子带间电致荧光：声子瓶颈效应的研究），Appl. Phys. Lett. （应用物理快报）77, 3893 (2000)）。
本发明，如果采用光强度呈周期性变化的调制光，可实现对量子级联激光器激光输出波长（或光频率）的周期性调制，即对激光器光相位的调制，应用于高灵敏度红外激光相位调制光谱。
本发明，如采用数字脉冲调制光，对量子级联激光器全光相位调制区进行折射率调制，应用于自由空间高速调频红外光通讯。
本发明，如采用数字脉冲近红外光，对量子级联激光器全光相位调制区进行折射率调制，将调幅近红外通讯信号直接转换成为调频红外激光信号，应用于将近红外通讯直接转换成为自由空间高速调频红外光通讯。
综上所述，本发明利用外调制光源产生强度调制的调制光，透过量子级联激光器全光相位调制光窗口，在量子级联激光器的整个全光相位调制区激光增益介质内激发自由电子和空穴，改变导带（电子）与价带（空穴）的载流子浓度，从而改变量子级联激光器谐振腔内红外激光的有效折射率，实现对量子级联激光器高速、高调制系数的相位调制。该量子级联激光器全光相位调制系统，可应用于高灵敏度红外激光光谱技术和自由空间高速调频红外光通讯。
附图说明
图1（a）是全光相位调制量子级联激光器结构的示意图；
图1（b）是全光相位调制量子级联激光器结构侧面的示意图；
图2是量子级联激光器全光相位调制区能级和全光相位调制的示意图；
图3（a）是量子级联激光器全光相位调制系统的示意图；
图3（b）是调制光照射在量子级联激光器全光相位调制光窗口3的状况图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。
本发明采用的全光相位调制量子级联激光器制作可以采用现有技术，如采用分子束外延设备或金属有机化合物化学气相淀积设备制作。
如图1（a）所示，全光相位调制量子级联激光器是将制作好的量子级联激光器的基本结构（包括：激光器光波导包层A2、激光增益介质A5和基底A3，其中增益介质A5为若干对注入区和有源区串联构成，注入区和有源区对参见图2），沿激光器谐振腔方向（即图中X方向）切割激光器，其切割面在如图1中虚线所示的平面上，使激光器增益介质A5暴露在外，形成量子级联激光器全光相位调制光窗口。最后在激光器的激光工作区底部制作正电极A4，在激光器的激光工作区顶部制作负电极A1。而在激光器的全光相位调制区2无电极。全光相位调制区2的宽度为W（即为谐振腔宽度，约为二十个微米）、长度为L。可以通过增加L，使得在调制光作用下能够极大地改变量子级联激光器谐振腔的有效腔长，实现高调制系数。
如图1（b）所示，给出的是如图1（a）中切割面的视图。其中全光相位调制窗口3即为全光相位调制区的激光增益介质的切割面，其高度为H，长度为L。
如图2中，给出了全光相位调制区的增益介质中（增益介质由若干对注入区和有源区串联构成）一对注入区和有源区的电子能级，其中注入区和有源区的导带能级分别为和
，注入区和有源区的价带能级分别为和
，其中k<K、i<I、j<J和l<L为正整数，其取值范围由激光器中的注入区和有源区能级数目决定（K, I,分别为注入区和有源区的导带能级数目；J, L,分别为注入区和有源区的价带能级数目）。在有源区中，
和
分别表示激光器的上能级和下能级。在全光相位调制区，调制光激发电子由价带跃迁到导带，在注入区和有源区的导带和价带分别形成自由电子和空穴，从而增加了全光相位调制区的自由载流子（电子和空穴）浓度，进而改变全光相位调制区红外光的折射率，最终实现对量子级联激光器红外激光输出的相位调制。
参见图3（a），利用上述的全光相位调制量子级联激光器，本发明提出的量子级联激光器全光相位调制系统结构如下：
其可分为两个相对独立的光路，由全光相位调制量子级联激光器A和外调制光源B组成。
其中全光相位调制量子级联激光器A包括有量子级联激光器工作区1、量子级联激光器全光相位调制区2和量子级联激光器全光相位调制光窗口3；外调制光源B包括光纤4、光纤耦合器5、全光调制激光器6和激光器电源及控制单元7。
全光相位调制量子级联激光器A是在一个完整的量子级联激光器基本结构上，通过以下结构改进而形成：沿激光器谐振腔方向，将量子级联激光器分为紧邻的前后两段，后一段在上下表面（与常规的量子级联激光器一样）制作有一对电极，施加偏置电流后可使该段量子级联激光器工作在阈值以上，并输出红外激光，该段被称为量子级联激光器工作区1；前一段无电极，用于实现全光相位调制，被称为量子级联激光器全光相位调制区2。量子级联激光器全光相位调制区2的激光谐振腔的侧壁经过切割后，可以透射调制光（其光子能量大于或等于量子级联激光器带间跃迁所需能量，通常为近红外光或可见光），形成量子级联激光器全光相位调制光窗口3。
其工作原理为：激光器电源及控制单元7对全光调制激光器6的输出光强进行调制（如：周期性调制），形成调制光；调制光通过光纤耦合器5进入光纤4；在量子级联激光器工作区1的电极上施加直流偏置电流使激光器工作在阈值之上，发出稳定的红外激光；光纤4与量子级联激光器全光相位调制光窗口3对准；调制光通过光纤4直接照射在量子级联激光器全光相位调制光窗口3上，并通过窗口进入整个量子级联激光器全光相位调制区2的激光增益介质（由若干对注入区和有源区串联组成）；通过激发量子级联激光器全光相位调制区2的激光增益介质的价带电子跃迁致导带，改变导带（电子）与价带（空穴）的载流子浓度，从而改变量子级联激光器谐振腔内红外激光的有效折射率，进而改变量子级联激光器的谐振腔有效腔长，最终实现对量子级联激光器输出红外激光的相位调制。其中光纤4与量子级联激光器全光相位调制光窗口3之间的距离D应该尽量小，从而保证所有的调制光能照射在量子级联激光器全光相位调制区2的激光增益介质上，以实现最大的相位调制系数。
参见图3（b）给出了调制光照射在量子级联激光器全光相位调制光窗口3的情况。
本发明提供的量子级联激光器全光相位调制系统，可以进行高速、高调制系数的相位调制，可应用于高灵敏度红外激光光谱技术和自由空间高速调频红外光通讯。
Claims (5)
1.一种量子级联激光器全光相位调制系统，其包括量子级联激光器（A）和外调制光源（B）；其特征在于：
所述量子级联激光器是一全光相位调制量子级联激光器，其结构分为三部分：量子级联激光器工作区（1）、量子级联激光器全光相位调制区（2）和量子级联激光器全光相位调制光窗口（3）；上述三部分结构是以一个完整的量子级联激光器基本结构为基础经以下改进而形成：在沿激光器谐振腔方向，将一个完整的量子级联激光器基本结构分为紧邻的前后两段，后一段在上下表面制作有一对电极，施加偏置电流后可使该段量子级联激光器工作在阈值以上，该段作为所述量子级联激光器工作区（1）；前一段无电极，用于实现全光相位调制，作为量子级联激光器全光相位调制区（2）；在量子级联激光器全光相位调制区（2）激光器谐振腔的侧壁经过切割后形成一透射光窗口，作为量子级联激光器全光相位调制光窗口（3）；
所述外调制光源按光的走向依次包括：激光器电源及控制单元（7）、全光调制激光器（6）、光纤耦合器（5）和光纤（4），其中激光器电源及控制单元（7）对全光调制激光器输出光强进行调制，所述光纤（4）的出射端直接对准量子级联激光器全光相位调制光窗口（3）；
在量子级联激光器工作区（1）施加直流偏置电流，使激光器工作在阈值以上，输出功率稳衡的红外激光；激光器电源及控制单元（7）对全光调制激光器（6）输出光强进行调制，其输出即为调制光；该调制光由光纤耦合器（5）进入光纤（4）；由光纤（4）的出射端直接将调制光入射量子级联激光器全光相位调制光窗口（3），进入到量子级联激光器全光相位调制区（2），对其包含的激光器谐振腔部分的红外激光折射率进行调制，实现对量子级联激光器输出红外激光的相位调制。
2.根据权利要求1所述的量子级联激光器全光相位调制系统，其特征在于，所述经量子级联激光器全光相位调制光窗口（3）进入到量子级联激光器全光相位调制区（2）的调制光，其光子能量大于或等于量子级联激光器带间跃迁所需能量，通常对应近红外光或可见光，调制光在量子级联激光器全光相位调制区所在的量子级联激光器谐振腔内，通过激发价带电子跃迁到导带，形成自由电子和空穴，改变谐振腔内量子级联激光器红外激光折射率，进而改变量子级联激光器谐振腔有效腔长，从而改变量子级联激光器输出红外波长，实现对量子级联激光器输出红外激光的相位调制。
3.根据权利要求1或2所述的量子级联激光器全光相位调制系统，其特征在于，所述外调制光源的光采用光强度呈周期性变化的调制光，实现对量子级联激光器激光输出波长的周期性调制，即对量子级联激光器光相位的调制，应用于高灵敏度红外激光相位调制光谱。
4.根据权利要求1或2所述的量子级联激光器全光相位调制系统，其特征在于，所述外调制光源的调制光采用数字脉冲，对量子级联激光器全光相位调制区（2）进行折射率调制，从而实现对量子级联激光器输出激光光频率的调制，应用于自由空间高速调频红外光通讯。
5.根据权利要求1或2所述的量子级联激光器全光相位调制系统，其特征在于，所述外调制光源的调制光采用数字脉冲近红外光，对量子级联激光器全光相位调制区（2）进行折射率调制，从而实现对量子级联激光器输出激光光频率的调制，将调幅近红外通讯信号直接转换成为调频红外激光信号，应用于将近红外通讯直接转变成为自由空间高速调频红外光通讯。
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