CN105576501A - 一种太赫兹量子级联激光器模式调制的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种太赫兹量子级联激光器模式调制的装置及方法，所述装置至少包括：微波发生器、耦合器、T型偏置器、太赫兹量子级联激光器、频谱仪以及红外光谱仪；所述微波发生器依次通过所述耦合器、T型偏置器与所述太赫兹量子级联激光器的输入端相连；所述红外光谱仪与所述太赫兹量子级联激光器的输出端相连；所述频谱仪与所述耦合器相连。本发明能够对单模工作、驱动电流在阈值电流附近的太赫兹量子级联激光器进行微波注入，通过改变微波发生器注入的频率能够分别实现在原来单模工作频率左侧增加一个模式、两侧同时增加多个模式、右侧增加一个模式，注入的同时不影响激光器工作温度。

Description

一种太赫兹量子级联激光器模式调制的装置及方法
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模式调制的装置及方法。
背景技术
太赫兹量子级联激光器作为一种重要的太赫兹辐射源，具有体积小、重量轻、易集成等优点，是太赫兹领域的一个研究热点。其产生的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。对于采用FP腔的太赫兹量子级联激光器，其输出模的个数主要由腔长、增益线宽和驱动电流有关。
目前对THzQCL多纵模的调制，比较普遍的是利用波导的光栅结构获得单模输出，缺乏单模与多模之间的灵活转换机制。对于单模获得多模比较容易的调制方法，一般采用增大驱动电流，通过改变有源区的驰豫特性获得多模输出。同时，激光器工作温度的改变也能使THzQCL由单模工作变为多模工作。但是对于单模工作、要求恒定驱动电流下工作的FP腔体THzQCL，不能通过改变温度、增加偏置电流等方法来实现单、多模的自由转变。所以对单模工作的THzQCL产生多模方面，目前尚没有有效的方案。
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模式调制的装置及方法，用于解决现有技术中太赫兹量子级联激光器无法由单模产生多模的问题。
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模式调制的装置，所述装置至少包括：微波发生器、耦合器、T型偏置器、太赫兹量子级联激光器、频谱仪以及红外光谱仪；
所述微波发生器依次通过所述耦合器、T型偏置器与所述太赫兹量子级联激光器的输入端相连；所述红外光谱仪与所述太赫兹量子级联激光器的输出端相连；所述频谱仪与所述耦合器相连。
优选地，采用工作在连续模式的所述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的范围为1～5THz，驱动电流在阈值电流附近，无微波注入时，所述太赫兹量子级联激光器单模工作。
优选地，所述太赫兹量子级联激光器通过微波传输线进行直流驱动，在所述微波传输线和所述太赫兹量子级联激光器的脊条之间用微带线连接，使所述微波传输线和太赫兹量子级联激光器之间的阻抗匹配。
优选地，所述微波发生器输出端口频率不超过25GHz。
优选地，所述微波发生器的产生的微波信号经过所述耦合器和T型偏置器注入到所述太赫兹量子级联激光器有源区内，来对所述太赫兹量子级联激激光器模式进行调制，调制后从所述太赫兹量子级联激光器反射回的相邻多纵模差频信号通过所述耦合器最后由所述频谱仪测得。
优选地，利用所述红外光谱仪检测所述太赫兹量子级联激光器通过微波信号调制后的输出光谱。
本发明还提供一种利用上述装置来调制太赫兹量子级联激光器模式的方法，所述方法至少包括：
步骤一、保持所述微波发生器功率为固定值，调制所述微波发生器产生的微波信号的频率，所述微波信号经过所述耦合器和T型偏置器注入到所述太赫兹量子级联激光器有源区内对激光器模式进行调制，直到所述频谱仪显示所述太赫兹量子级联激光器多纵模差频信号，记录该差频信号对应的峰值频率为fr；
步骤二、保持所述微波发生器功率不变，分别在大于频率fr、、等于fr、以及小于fr下调制所述微波发生器的频率，再通过所述红外光谱仪检测所述太赫兹量子级联激光器被调制后的光谱，直到在光谱上检测出多个模式。
优选地，所述步骤二中，保持微波发生器功率不变，在大于fr的频率一侧调制所述微波发生器的频率，再通过所述红外光谱仪检测所述太赫兹量子级联激光器被调制后的光谱，直到光谱中在小于fr的一侧被调制出一个单模，此时，加上fr处的模式，光谱上共有两个模式。
优选地，所述步骤二中，保持微波发生器功率不变，所述微波发生器的频率为fr，再通过所述红外光谱仪检测所述太赫兹量子级联激光器被调制后的光谱，在光谱中fr两侧同时观察到增加的模式，此时，加上fr处模式，光谱上有大于三个模式。
优选地，所述步骤二中，保持微波发生器功率不变，在小于fr的频率一侧调制所述微波发生器的频率，再通过所述红外光谱仪检测所述太赫兹量子级联激光器被调制后的光谱，直到在光谱中大于fr的一侧被调制出一个单模，此时，加上fr处的模式，光谱上共有两个模式。
如上所述，本发明的一种太赫兹量子级联激光器模式调制的装置及方法，所述装置至少包括：微波发生器、耦合器、T型偏置器、太赫兹量子级联激光器、频谱仪以及红外光谱仪；所述微波发生器依次通过所述耦合器、T型偏置器与所述太赫兹量子级联激光器的输入端相连；所述红外光谱仪与所述太赫兹量子级联激光器的输出端相连；所述频谱仪与所述耦合器相连。本发明的调制装置能够比较灵活地在原来单模工作的频率单侧或者两侧增加一个至多个模式，并且不会影响太赫兹量子级联激光器的工作温度。
附图说明
图1为本发明实施例中太赫兹量子级联激光器模式调制的装置原理示意图。
图2从上到下为分别将微波发生器频率设置在大于fr、等于fr、小于fr以及关闭微波发生器情况下由红外光谱仪测得的光谱图。
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。
本发明提供一种太赫兹量子级联激光器模式调制的装置，如图1所示，所述装置至少包括：微波发生器、耦合器、T型偏置器、太赫兹量子级联激光器、频谱仪以及红外光谱仪。所述微波发生器依次通过所述耦合器、T型偏置器与所述太赫兹量子级联激光器的输入端相连；所述红外光谱仪与所述太赫兹量子级联激光器的输出端相连；所述频谱仪与所述耦合器相连。
采用工作在连续模式的所述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的范围为1～5THz，驱动电流在阈值电流附近，无微波注入时，所述太赫兹量子级联激光器单模工作。
本实施例中，所用太赫兹量子级联激光器的激射频率约为3.0THz，工作温度为10K，阈值电流为0.6A。提供低温环境的冷头为液氦制冷系统的一部分，其最低温度可以达到5K。
所述太赫兹量子级联激光器和T型偏置器之间通过微波传输线进行连接，利用所述微波传输线可以直流驱动所述太赫兹量子级联激光器工作。另外，在所述微波传输线和所述太赫兹量子级联激光器的脊条(未予以图示)之间用微带线连接，以使所述微波传输线和太赫兹量子级联激光器之间的阻抗能够匹配。
所述微波发生器输出端口频率不超过25GHz。通过所述T型偏置器将所述微波发生器输出的微波信号叠加到直流偏置电压上获得合成的调制信号，利用所述合成的调制信号对所述太赫兹量子级联激光器有源区进行调制。
所述微波发生器的产生的微波信号经过所述耦合器和T型偏置器注入到所述太赫兹量子级联激光器有源区内，来对所述太赫兹量子级联激激光器模式进行调制，调制后从所述太赫兹量子级联激光器反射回的相邻多纵模差频信号通过所述耦合器最后由所述频谱仪测得。
所述红外光谱仪则用来检测所述太赫兹量子级联激光器通过微波信号调制后的输出光谱。
本发明还提供一种调制太赫兹量子级联激光器模式的方法，该方法通过上述装置来实现。本实施例中，所述太赫兹量子级联激光器激射频率约为3.0THz，阈值电流为0.6A，驱动电流为0.68A，单/多模临界电流为0.71A，工作温度为10K。调制的方法至少包括如下步骤：
首先，保持微波发生器功率为一固定值，如10dBm，调制所述微波发生器产生的微波信号的频率，所述微波信号经过所述耦合器和T型偏置器注入到所述太赫兹量子级联激光器有源区内对激光器模式进行调制，直到所述频谱仪显示所述太赫兹量子级联激光器多纵模差频信号，记录该差频信号对应的峰值频率fr，本实施例中，所述差频信号对应的峰值频率fr为15.37GHz；
然后，保持所述微波发生器功率不变，分别在大于频率fr、、等于fr、以及小于fr下调制所述微波发生器的频率，再通过所述红外光谱仪检测所述太赫兹量子级联激光器被调制后的光谱，直到在光谱上检测出多个模式。
本实施例中，分三种情况调制所述微波发生器的频率。
第一种情况，保持微波发生器功率不变，在大于15.37GHz的频率一侧调制所述微波发生器的频率，再通过所述红外光谱仪检测所述太赫兹量子级联激光器被调制后的光谱。结果发现，当微波发生器的频率调制到15.48GHz时，光谱中在小于15.37GHz的一侧(左侧)被调制出一个单模，此时，加上15.37GHz处的模式，光谱上共有两个模式。如图2最上面的光谱曲线所示。
第二种情况，保持微波发生器功率不变，将所述微波发生器的频率输出为15.37GHz，再通过所述红外光谱仪检测所述太赫兹量子级联激光器被调制后的光谱，光谱中可以观察到在15.37GHz两侧同时出现增加的模式，此时，加上15.37GHz处的模式，光谱上一共出现了5个模式。如图2第二行的光谱曲线所示。
第三种情况，保持微波发生器功率不变，在小于15.37GHz的频率一侧调制所述微波发生器的频率，再通过所述红外光谱仪检测所述太赫兹量子级联激光器被调制后的光谱。结果发现，当微波发生器的频率调制到15.21GHz时，光谱中在大于15.37GHz的一侧(右侧)被调制出一个单模，此时，加上15.37GHz处的模式，光谱上共有两个模式。如图2第三行的光谱曲线所示。
测试完毕后，关闭所述微波发生器，用红外光谱仪可以测得没有微波注入时太赫兹量子级联激光器单模工作时光谱。如图2中最下面的光谱曲线所示。
综上所述，本发明提供一种太赫兹量子级联激光器模式调制的装置及方法，所述装置至少包括：微波发生器、耦合器、T型偏置器、太赫兹量子级联激光器、频谱仪以及红外光谱仪；所述微波发生器依次通过所述耦合器、T型偏置器与所述太赫兹量子级联激光器的输入端相连；所述红外光谱仪与所述太赫兹量子级联激光器的输出端相连；所述频谱仪与所述耦合器相连。本发明能够对单模工作、驱动电流在阈值电流附近的太赫兹量子级联激光器进行微波注入，通过改变微波发生器注入的频率能够分别实现在原来单模工作频率左侧增加一个模式、两侧同时增加多个模式、右侧增加一个模式，在调制激光器的同时能够确保调制信号不影响激光器的工作温度。
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 (10)

1.一种太赫兹量子级联激光器模式调制的装置，其特征在于，所述装置至少包括：微波发生器、耦合器、T型偏置器、太赫兹量子级联激光器、频谱仪以及红外光谱仪；
所述微波发生器依次通过所述耦合器、T型偏置器与所述太赫兹量子级联激光器的输入端相连；所述红外光谱仪与所述太赫兹量子级联激光器的输出端相连；所述频谱仪与所述耦合器相连。
2.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器模式调制的装置，其特征在于：采用工作在连续模式的所述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的范围为1～5THz，驱动电流在阈值电流附近，无微波注入时，所述太赫兹量子级联激光器单模工作。
3.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器模式调制的装置，其特征在于：所述太赫兹量子级联激光器通过微波传输线进行直流驱动，在所述微波传输线和所述太赫兹量子级联激光器的脊条之间用微带线连接，使所述微波传输线和太赫兹量子级联激光器之间的阻抗匹配。
4.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器模式调制的装置，其特征在于：所述微波发生器输出端口频率不超过25GHz。
5.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器模式调制的装置，其特征在于：所述微波发生器的产生的微波信号经过所述耦合器和T型偏置器注入到所述太赫兹量子级联激光器有源区内，来对所述太赫兹量子级联激激光器模式进行调制，调制后从所述太赫兹量子级联激光器反射回的相邻多纵模差频信号通过所述耦合器最后由所述频谱仪测得。
6.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器模式调制的装置，其特征在于：利用所述红外光谱仪检测所述太赫兹量子级联激光器通过微波信号调制后的输出光谱。
7.一种利用如权利要求1～6任一项所述装置来调制太赫兹量子级联激光器模式的方法，其特征在于，所述方法至少包括：
步骤一、保持所述微波发生器功率为固定值，调制所述微波发生器产生的微波信号的频率，所述微波信号经过所述耦合器和T型偏置器注入到所述太赫兹量子级联激光器有源区内对激光器模式进行调制，直到所述频谱仪显示所述太赫兹量子级联激光器多纵模差频信号，记录该差频信号对应的峰值频率为fr；
步骤二、保持所述微波发生器功率不变，分别在大于频率fr、、等于fr、以及小于fr下调制所述微波发生器的频率，再通过所述红外光谱仪检测所述太赫兹量子级联激光器被调制后的光谱，直到在光谱上检测出多个模式。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述步骤二中，保持微波发生器功率不变，在大于fr的频率一侧调制所述微波发生器的频率，再通过所述红外光谱仪检测所述太赫兹量子级联激光器被调制后的光谱，直到光谱中在小于fr的一侧被调制出一个单模，此时，加上fr处的模式，光谱上共有两个模式。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述步骤二中，保持微波发生器功率不变，所述微波发生器的频率为fr，再通过所述红外光谱仪检测所述太赫兹量子级联激光器被调制后的光谱，在光谱中fr两侧同时观察到增加的模式，此时，加上fr处的模式，光谱上有大于三个模式。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述步骤二中，保持微波发生器功率不变，在小于fr的频率一侧调制所述微波发生器的频率，再通过所述红外光谱仪检测所述太赫兹量子级联激光器被调制后的光谱，直到在光谱中大于fr的一侧被调制出一个单模，此时，加上fr处的模式，光谱上共有两个模式。
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