CN103928841B - 一种太赫兹量子级联激光器的高速调制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种太赫兹量子级联激光器的高速调制方法及装置，该装置包括：缓冲放大器、与所述缓冲放大器的输出端连接的T型偏置器、以及与所述T型偏置器输出端连接的太赫兹量子级联激光器。本发明的太赫兹量子级联激光器的高速调制方法能够对负载大，阈值电压高，驱动电流大的太赫兹量子级联激光器进行高速强度调制，确保调制信号不失真地加载到太赫兹量子级联激光器上，避免光脉冲波形畸变。该装置结构简单，易于操作和集成，适用于未来的THz通信应用。

Description

一种太赫兹量子级联激光器的高速调制方法及装置

技术领域

本发明涉及半导体光电器件应用技术领域，特别是涉及一种太赫兹量子级联激光器的高速调制方法及装置。

背景技术

太赫兹波是指频率从300GHz-10THz，频率介于毫米波与红外光之间的电磁波。由于其自身的特点，太赫兹波在高速通信、成像、频谱分析和遥感等方面，具有广阔的应用前景。作为THz频段重要辐射源的太赫兹量子级联激光器（Terahertz Quantum CascadeLaser，THzQCL)得到了广泛而深入的研究，并取得了重要的进展。

THz QCL是一种单极性子带间跃迁的相干THz辐射源，具有能量转换效率高、响应速度快、体积小、易集成以及使用寿命长等优点。相对于中红外QCL来说，THz光子能量小，对应的激光能级间的能量差就很小，子带间的散射作用增强，使得在THz QCL中粒子数反转更加难以实现。同时，在THz波段，自由载流子的吸收增强，波导损耗大大增加。THz QCL自2002年发明以来，器件的输出功率、工作温度和激射频率范围等都有很大提高与改善。到目前为止，连续模式下的THz QCL的最高工作温度为117K，在最优的工作条件下器件的最高输出功率可达138mW。

目前对THz QCL的调制，主要是利用现成的电学仪器设备，不利于发射装置的小型化和实用化。对于传统的激光器的调制方法，一般采用现成的激光器驱动器芯片或者是外调制器来进行调制。但是THz QCL有其自身的特点，其激射的阈值电压非常高（6V以上，甚至十几伏），阈值电流也非常大（200mA以上），自身的交流阻抗只有10Ω以下，对于激光器驱动芯片要么满足不了THz QCL的阈值电压与驱动电流，要么由于负载太重无法将信号加载到QCL上，对于1THz以上的外调制器，其所能提供的带宽非常有限（几MHz），所以在THz QCL的小型化高速调制电路方面，目前尚没有有效的方案。

因此，提供一种新型的太赫兹量子级联激光器的高速调制方法及装置是本领域技术人员需要解决的课题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种太赫兹量子级联激光器的高速调制方法及装置，用于解决现有技术中的驱动芯片不能够对交流阻抗小、阈值电压高、驱动电流高的太赫兹量子级联激光器进行高速强调制的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种太赫兹量子级联激光器的调制装置，所述太赫兹量子级联激光器装置至少包括：

缓冲放大器、与所述缓冲放大器的输出端连接的T型偏置器、以及与所述T型偏置器输出端连接的太赫兹量子级联激光器。

作为本发明的太赫兹量子级联激光器的调制装置的一种优化的方案，所述缓冲放大器为具有低输出阻抗、高输出电流、以及高单位增益带宽的单位增益放大器。

作为本发明的太赫兹量子级联激光器的调制装置的一种优化的方案，所述输出阻抗低于1.2Ω，所述输出电流在50～200mA范围，所述单位增益带宽在50MHz～2.4GHz。

作为本发明的太赫兹量子级联激光器的调制装置的一种优化的方案，所述T型偏置器为具有高带宽和高直流偏置输入电压的偏置器。

作为本发明的太赫兹量子级联激光器的调制装置的一种优化的方案，所述直流偏置输入电压高于8V。

作为本发明的太赫兹量子级联激光器的调制装置的一种优化的方案，所述T型偏置器包括一电感和一电容；

所述电感和电容串联相连；电感的自由端端口为直流偏置电压输入端；电容的自由端端口与所述缓冲放大器输出端相连，用于接收缓冲放大器输出的调制电压信号；所述电感和电容之间设置一端口作为合成的调制电压信号输出端，该合成的调制电压信号用来驱动太赫兹量子级联激光器。

作为本发明的太赫兹量子级联激光器的调制装置的一种优化的方案，采用工作在连续模式的太赫兹量子级联激光器作为发射器件，所述太赫兹量子级联激光器的激射频率范围为1～5THz，交流阻抗小于10Ω，阈值电压为8V以上。

作为本发明的太赫兹量子级联激光器的调制装置的一种优化的方案，所述缓冲放大器的输入端与一信号发生器连接，用来接收所述信号发生器输出的电压信号。

作为本发明的太赫兹量子级联激光器的调制装置的一种优化的方案，所述T型偏置器输出端通过同轴电缆与太赫兹量子级联激光器连接。

本发明还提供一种太赫兹量子级联激光器的高速调制方法，所述高速调制方法至少包括步骤：

1）采用信号发生器给缓冲放大器输入一个周期性电压信号，通过所述缓冲放大器输出调制电压信号低的输出阻抗；

2）采用直流稳压源给T型偏置器的直流偏置电压输入端输入一个直流偏压信号，通过所述T型偏置器将所述缓冲放大器输出的调制电压信号叠加到直流偏压信号上，产生合成的调制电压信号，该合成的调制电压信号加载到太赫兹量子级联激光器上，使其辐射出周期性的太赫兹光，从而完成太赫兹量子级联激光器的高速调制。

如上所述，本发明的太赫兹量子级联激光器的高速调制方法及装置，具有以下有益效果：

（1）缓冲放大器具有输出阻抗小，T型偏置器具有较高的直流偏置输入电压，采用该调制装置能够对负载大，阈值电压高，驱动电流高的太赫兹量子级联激光器进行高速强度调制，确保调制信号不失真的加载到太赫兹量子级联激光器上。

（2）由于太赫兹量子级联激光器具有超短的载流子驰豫时间，在调制速率达到上GHz时不会产生驰豫振荡，避免了光脉冲波形的形状发生变化。

（3）对于同一调制信号，只需调整直流偏置电压信号的大小，就能适用于任何1～5THz的太赫兹量子级联激光器。

附图说明

图1为本发明的太赫兹量子级联激光器的调制装置结构示意图。

图2为本发明的太赫兹量子级联激光器的调制装置中T型偏置器的结构示意图。

图3为本发明中加载到太赫兹量子级联激光器上的合成的调制信号与探测到的解调信号。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明的发明人经过对太赫兹器件的深入研究，提出一种太赫兹量子级联激光器的高速调制方法及装置。所述装置包括缓冲放大器、T型偏置器和太赫兹量子级联激光器。本发明的优点在于采用了输出阻抗小的缓冲放大器，较高直流偏置输入电压的T型偏置器，能够很好的对负载大、阈值电压高、以及驱动电流高的太赫兹量子级联激光器进行高速强度调制，确保调制信号不失真地加载到太赫兹量子级联激光器上，避免光脉冲波形畸变。

实施例一

本发明提供一种太赫兹量子级联激光器的高速调制装置，如图1所示，所述调制装置至少包括：缓冲放大器、T型偏置器和太赫兹量子级联激光器。

所述缓冲放大器为具有低输出阻抗、高输出电流、以及高单位增益带宽的单位增益放大器。该缓冲放大器带负载能力强，从而确保驱动阻值在10Ω以下的负载。

其中，所述输出阻抗低于1.2Ω，所述输出电流在50～200mA范围内，所述单位增益带宽在50MHz～2.4GHz。

作为示例，所述缓冲放大器的输出阻抗可以是0.2Ω、0.3Ω、0.5Ω、0.8Ω、1.0Ω或1.1Ω等；所述输出电流可以是50mA、74mA、100mA或200mA等；所述单位增益带宽可以是50MHz、160MHz、1.75GHz或2.4GHz等。

所述T型偏置器为具有高带宽和高直流偏置输入电压的偏置器，其结构可以通过图2进行说明。所述T型偏置器具体包括一电感和一电容；所述电感和电容串联相连；电感的自由端端口为直流偏置电压输入端；电容的自由端端口与所述缓冲放大器输出端相连，用于接收缓冲放大器输出的调制电压信号；所述电感和电容之间设置一端口作为合成的调制电压信号输出端，该合成的调制电压信号用来驱动太赫兹量子级联激光器。

工作原理为：所述缓冲放大器输出的调制信号通过如图2中的调制信号输入传递给T型偏置器，再利用所述T型偏置器将该调制信号叠加到直流偏置电压信号上，产生合成的调制电压信号，该信号从T型偏置器的合成的调制信号输出端输出，使得合成的调制信号的高电平满足太赫兹量子级联激光器的阈值电压以及驱动电流。

需要说明的是，加载在T型偏置器直流偏置电压输入端的的直流偏置电压较高，一般在8V以上，为了满足具有不同激射频率和阈值电压、驱动电流的太赫兹量子级联激光器的调制及驱动要求，加载在T型偏置器上的直流偏置电压可以是10V、12V、13V、15V、18V、20V等，甚至更高。

具体地，所述太赫兹量子级联激光器包括结构：冷头、安装于所述冷头内的热沉、安装于热沉上的太赫兹量子级联激光器（热沉及太赫兹量子级联激光器如图1中的黑色填充部分），以及聚乙烯窗片；所述聚乙烯窗片安装于所述冷头上，通过聚乙烯窗片使所述太赫兹量子级联激光器发射出的太赫兹光射出。

进一步地，提供低温环境的冷头为闭循环机械制冷系统的一部分，其最低温度可以达到9K。

优选地，所述太赫兹量子级联激光器工作在连续模式，其激射频率为1～5THz（如3.9THz、4.13Hz等），交流阻抗小于10Ω，阈值电压为8V以上。

还需要说明的是，在本发明的调制装置中，所述太赫兹量子级联激光器可视为一个差分电阻负载，该差分电阻负载的电阻可根据太赫兹量子级联激光器的P-I-V曲线在出光电流处由V对I求导来获得。

再需要说明的是，由于太赫兹量子级联激光器具有皮秒级的超短的载流子弛豫时间，频响中不会产生共振。因此，采用本发明的调制装置对太赫兹量子级联激光器进行高速调制时，不会发生弛豫振荡，避免光脉冲波形形状发生畸变。

实施例二

本实施例具体提供一种太赫兹量子级联激光器的高速调制装置，如图1所示，该装置包括缓冲放大器、T型偏置器和太赫兹量子级联激光器。

本实施例中，所述缓冲放大器是由AD8017高速运放搭建的单位增益放大器，带宽为160MHz，输出阻抗为0.2Ω，采用±5V供电。

本实施例中，所述T型偏置器为Picosecond公司的Model5545-108型Bias-Tee，带宽为20GHz，可供直流偏置电压最大为50V，可输出最大电流为500mA。

本实施例中，所述太赫兹量子级联激光器的激射频率为3.9THz，交流阻抗为8Ω，阈值电压为13V。本实施例中太赫兹量子级联激光器的工作温度为10K。

实施例三

本发明还提供一种太赫兹量子级联激光器的高速调制方法，利用实施例一和实施例二中的太赫兹量子级联激光器的调制装置来调制驱动太赫兹量子级联激光器，至少包括如下步骤：

首先，采用信号发生器给缓冲放大器输入一个周期性电压信号，通过所述缓冲放大器输出低的输出阻抗和调制电压信号。

例如，采用信号发生器给缓冲放大器的电压信号输入端输入一个峰峰值为1V、频率为30MHz的方波电压信号。

然后，采用直流稳压源给T型偏置器的直流偏置电压输入端输入一个直流偏压信号，通过所述T型偏置器将所述缓冲放大器输出的调制电压信号叠加到直流偏压信号上，产生合成的调制电压信号，该合成的调制电压信号加载到太赫兹量子级联激光器上，使其辐射出周期性的太赫兹光，从而完成太赫兹量子级联激光器的高速调制。

例如，采用直流稳压源在T型偏置器V_bias端输入一个13V的直流偏置电压，通过T型偏置器将缓冲放大器输出的调制电压信号叠加到直流偏置电压上，形成合成的调制信号，该合成的调制信号经过同轴电缆加载到太赫兹量子级联激光器上，使其辐射出周期性的方波太赫兹光，实验测试结果请参阅图3。

图3中上方是从T型偏置器输出的合成的调制信号，下方是利用探测器探测到的出射太赫兹光的解调信号，可以看出，加载到太赫兹量子级联激光器上的调制信号波形未产生畸变，仅有一点过冲现象。而接收端的解调信号有部分失真，这是由于传播过程中大气对太赫兹波的衰减造成的，但解调后的信号并不影响高低电平的判别，通过电平比较判别电路恢复方波信号，读取信息。该调制方法成功的对太赫兹量子级联激光器进行了高速调制。

综上所述，本发明提供一种太赫兹量子级联激光器的高速调制方法及装置，该装置包括：缓冲放大器、与所述缓冲放大器的输出端连接的T型偏置器、以及与所述T型偏置器输出端连接的太赫兹量子级联激光器。本发明的太赫兹量子级联激光器的高速调制方法能够对负载大，阈值电压高，驱动电流大的太赫兹量子级联激光器进行高速强度调制，确保调制信号不失真地加载到太赫兹量子级联激光器上，避免光脉冲波形畸变。该装置结构简单，易于操作和集成，适用于未来的THz通信应用。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种太赫兹量子级联激光器的调制装置，其特征在于，所述太赫兹量子级联激光器装置至少包括：

缓冲放大器、与所述缓冲放大器的输出端连接的T型偏置器、以及与所述T型偏置器输出端连接的太赫兹量子级联激光器，缓冲放大器的输出阻抗低于1.2Ω，输出电流在50～200mA范围，单位增益带宽在50MHz～2.4GHz。

2.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器的调制装置，其特征在于：所述T型偏置器为具有高带宽和高直流偏置输入电压的偏置器。

3.根据权利要求2所述的太赫兹量子级联激光器的调制装置，其特征在于：所述直流偏置输入电压高于8V。

4.根据权利要求3所述的太赫兹量子级联激光器的调制装置，其特征在于：所述T型偏置器包括一电感和一电容；

所述电感和电容串联相连；电感的自由端端口为直流偏置电压输入端；电容的自由端端口与所述缓冲放大器输出端相连，用于接收缓冲放大器输出的调制电压信号；所述电感和电容之间设置一端口作为合成的调制电压信号输出端，该合成的调制电压信号用来驱动太赫兹量子级联激光器。

5.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器的调制装置，其特征在于：采用工作在连续模式的太赫兹量子级联激光器作为发射器件，所述太赫兹量子级联激光器的激射频率范围为1～5THz，交流阻抗小于10Ω，阈值电压为8V以上。

6.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器的调制装置，其特征在于：所述缓冲放大器的输入端与一信号发生器连接，用来接收所述信号发生器输出的电压信号。

7.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器的调制装置，其特征在于：所述T型偏置器输出端通过同轴电缆与太赫兹量子级联激光器连接。

8.一种利用如权利要求1～7任一项所述太赫兹量子级联激光器的调制装置的高速调制方法，其特征在于，所述高速调制方法至少包括步骤：

1)采用信号发生器给缓冲放大器输入一个周期性电压信号，通过所述缓冲放大器输出调制电压信号和低的输出阻抗，所述缓冲放大器的输出阻抗低于1.2Ω，所述输出电流在50～200mA范围，所述单位增益带宽在50MHz～2.4GHz；

2)采用直流稳压源给T型偏置器的直流偏置电压输入端输入一个直流偏压信号，通过所述T型偏置器将所述缓冲放大器输出的调制电压信号叠加到直流偏压信号上，产生合成的调制电压信号，该合成的调制电压信号加载到太赫兹量子级联激光器上，使其辐射出周期性的太赫兹光，从而完成太赫兹量子级联激光器的高速调制。