CN107768970A - 一种脉冲模式太赫兹量子级联激光器射频调制系统及方法 - Google Patents

一种脉冲模式太赫兹量子级联激光器射频调制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种脉冲模式太赫兹量子级联激光器射频调制系统及方法，其中所述系统包括：一通过一电极片与所述太赫兹量子级联激光器连接的脉冲源，其驱动所述太赫兹量子级联激光器工作在脉冲模式并产生激光器纵模间拍频信号；一通过一微带线与所述太赫兹量子级联激光器连接的T型偏置器；一通过一环形器与所述T型偏置器连接的射频源，其产生一具有设定频率的射频信号；以及与所述环形器连接的频谱分析仪。本发明对于脉冲模式太赫兹量子级联激光器的宽谱成谱具有重要意义。

Description

一种脉冲模式太赫兹量子级联激光器射频调制系统及方法
技术领域
本发明涉及半导体激光器，尤其涉及一种脉冲模式太赫兹量子级联激光器射频调制系统及方法。
背景技术
太赫兹(THz)波是指频率从0.1THz到10THz，相应波长从3mm到3μm范围内，介于毫米波与红外光之间的电磁波。从物理学看，太赫兹波处于电子学向光子学的过渡区；从频域上看，太赫兹波覆盖半导体以及等离子体的各特征能量、有机和生物大分子等的转动和振动能量、约50％的宇宙空间光子能量等；从应用角度看，太赫兹波的频带宽、测量信噪比高、适合于信息领域的高空间和时间分辨率成像与信号处理、大容量与高保密的数据传输、射电天文探测、大气与环境监测、实时与安全的生物与医学诊断等等。因此，太赫兹波在国民经济及国家安全等方面有重大的应用价值。
太赫兹辐射源是太赫兹技术应用的核心部件。在众多太赫兹辐射产生方式中，基于半导体的全固态太赫兹量子级联激光器，由于其能量转换效率高、体积小、轻便和易集成等优点，成为太赫兹领域研究的一个热点。太赫兹量子级联激光器的有缘区结构主要有束缚态向连续态跃迁和共振声子两种设计结构，其中，束缚态向连续态跃迁结构的激光器具有阈值电流密度低和工作电压低的优点，因此易于连续波工作；而共振声子结构的激光器则具有工作温度高和输出功率大的优点，但由于其阈值电流、电压大的问题，因此只能工作在脉冲模式。
通过在太赫兹量子级联激光器上加入射频调制，当调制频率与激光纵模间隔相当时，激光器模式间距将锁定到调制频率，从而可使激射谱范围增大，一项重要的应用是产生宽谱太赫兹光频梳。现有技术中，针对连续波模式太赫兹量子级联激光器的射频调制已经可以实现，具体来说，用于连续波模式太赫兹量子级联激光器的射频调制系统包括T型偏置器，该T型偏置器由高频电感和高频电容组成，其中，高频电感起到隔离交流、传输直流的作用，高频电容起到隔离直流、传输交流的作用；通过将直流源接入电感端，将射频源接入电容端，从而将射频信号和直流电信号叠加然后直接加载到激光器上，即可实现直流偏置和射频调制。然而，对于脉冲模式太赫兹量子级联激光器而言，则不能直接采用这种系统进行射频调制，这是因为，脉冲源信号无法通过T型偏置器的高频电感输入到激光器中。
鉴于现有技术中还未见有关于脉冲量子级联激光器射频调制的报道，目前有必要提供一种脉冲模式太赫兹量子级联激光器射频调制系统及方法。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种脉冲模式太赫兹量子级联激光器射频调制系统及方法，以实现对激光器进行有效调制，并实现激光器宽谱成谱。
本发明之一所述的一种脉冲模式太赫兹量子级联激光器射频调制系统，包括：
一通过一电极片与所述太赫兹量子级联激光器连接的脉冲源，其驱动所述太赫兹量子级联激光器工作在脉冲模式并产生激光器纵模间拍频信号；
一通过一微带线与所述太赫兹量子级联激光器连接的T型偏置器；
一通过一环形器与所述T型偏置器连接的射频源，其产生一具有设定频率的射频信号；以及
与所述环形器连接的频谱分析仪；
其中，所述环形器配置为：一方面将经过所述微带线和所述T型偏置器耦合输出的所述激光器纵模间拍频信号引导至所述频谱分析仪，以使该频谱分析仪对所述激光器纵模间拍频信号进行频域分析，另一方面将所述射频信号引导至所述T型偏置器，以使该射频信号经过所述T型偏置器和所述微带线注入所述太赫兹量子级联激光器中进行射频调制；
所述射频信号的设定频率配置为：根据所述频谱分析仪对所述激光器纵模间拍频信号进行频域分析所获得的分析结果进行设置。
在上述的脉冲模式太赫兹量子级联激光器射频调制系统中，所述太赫兹量子级联激光器的波导结构为半绝缘表面等离子体波导结构或双面金属波导结构，所述波导结构具有上表面金属层，且该上表面金属层的后端通过金丝键合连接至所述微带线，所述上表面金属层还通过金丝键合连接至所述电极片。
在上述的脉冲模式太赫兹量子级联激光器射频调制系统中，所述环形器还配置为：使所述射频源与所述频谱分析仪之间信号隔离。
在上述的脉冲模式太赫兹量子级联激光器射频调制系统中，所述系统还包括连接在所述环形器与所述频谱分析仪之间的、用于放大所述激光器纵模间拍频信号的信号放大器。
在上述的脉冲模式太赫兹量子级联激光器射频调制系统中，所述射频源通过高频传输线与所述环形器连接，所述环形器通过高频传输线分别与所述频谱分析仪以及所述T型偏置器连接，所述T型偏置器通过高频传输线与所述微带线连接。
本发明之二所述的一种脉冲模式太赫兹量子级联激光器射频调制方法，包括以下步骤：
步骤S0，提供如上所述的脉冲模式太赫兹量子级联激光器射频调制系统；
步骤S1，利用脉冲源驱动所述太赫兹量子级联激光器工作在脉冲模式并产生激光器纵模间拍频信号；
步骤S2，利用环形器将经过微带线和T型偏置器耦合输出的所述激光器纵模间拍频信号引导至频谱分析仪，并利用该频谱分析仪对所述激光器纵模间拍频信号进行频域分析；
步骤S3，根据所述频谱分析仪对所述激光器纵模间拍频信号进行频域分析所获得的分析结果设置射频源产生的射频信号的设定频率，并利用所述环形器将所述射频信号引导至所述T型偏置器，以使该射频信号经过所述T型偏置器和所述微带线注入所述太赫兹量子级联激光器中进行射频调制。
由于采用了上述的技术解决方案，本发明通过采用电极片和微带线分别将T型偏置器和脉冲源连接至激光器，并利用环形器将射频信号引入T型偏置器，从而将脉冲驱动和射频调制分开加载到激光器上，从而解决了现有技术中脉冲源信号无法通过T型偏置器输入到激光器中的问题；同时，本发明还利用环形器将激光器在脉冲模式下工作产生的激光器纵模间拍频信号引入频谱分析仪，并根据频谱分析仪对激光器纵模间拍频信号的频域分析结果，将射频信号的设定频率设置与激光器纵模间拍频信号的频率(单频)或者频谱中心频率(宽谱)相当，从而使射频信号能够对激光器进行有效的调制，使激光器模式间距锁定到调制频率，并使激射谱范围增大，由此对脉冲模式太赫兹量子级联激光器的宽谱成谱产生重要意义。
附图说明
图1是本发明一种脉冲模式太赫兹量子级联激光器射频调制系统的结构示意图；
图2示出了脉冲模式太赫兹量子级联激光器射频调制对激光光谱的影响。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
如图1所示，本发明之一，即一种脉冲模式太赫兹量子级联激光器射频调制系统，包括：
一直接通过一电极片1与太赫兹量子级联激光器9连接的脉冲源2，其驱动太赫兹量子级联激光器9工作在脉冲模式并产生时间上间断的激光器纵模间拍频信号(与多模连续波激光器自由工作时模式间会相互作用产生拍频信号相同，脉冲模式激光器在工作时，也会产生拍频信号，不同之处在于后者的拍频信号在时间上是间断的，因此没有连续波激光器拍频信号稳定)；
一通过一微带线3与太赫兹量子级联激光器9连接的T型偏置器4；
一通过一环形器5与T型偏置器4连接的射频源6，其产生一具有设定频率的射频信号；以及
依次与环形器5连接的信号放大器7和频谱分析仪8；
其中，环形器5配置为：一方面将经过微带线3和T型偏置器4耦合输出的激光器纵模间拍频信号引导至信号放大器7进行放大后传输至频谱分析仪8，以使该频谱分析仪8对激光器纵模间拍频信号进行频域分析，一方面将射频信号引导至T型偏置器4，以使该射频信号经过T型偏置器4和微带线3注入太赫兹量子级联激光器9中进行射频调制，另一方面使射频源6与频谱分析仪8之间信号隔离，即，阻止射频信号从射频源6向频谱分析仪8传输；
同时，射频信号的设定频率配置为：根据频谱分析仪8对激光器纵模间拍频信号进行频域分析所获得的分析结果进行设置，具体来说，当太赫兹量子级联激光器9的模式稳定性好及频率相干性好时，激光器纵模间拍频信号表现为稳定的单频信号，通过频谱分析仪8获得激光器纵模间拍频信号的频率(单频)，反之，当激光器纵模间拍频信号不稳定或者为宽频谱线时，通过频谱分析仪8获得激光器纵模间拍频信号的频谱中心频率(宽谱)，上述分析结果为射频注入射频信号的设定频率的设置提供依据：当射频信号的设定频率与激光器纵模间拍频信号的频率(单频)或者频谱中心频率(宽谱)相当时，该射频信号能够对太赫兹量子级联激光器9进行有效的调制，并对激光光谱产生一定的影响。
在上述系统中，太赫兹量子级联激光器9的波导结构为半绝缘表面等离子体波导结构或双面金属波导结构，这两类波导结构均具有上表面金属层，且该上表面金属层的后端通过金丝键合连接至微带线3，同时，整个上表面金属层还通过金丝键合连接至电极片1；另外，微带线3的结构经过阻抗匹配设计，能够保证激光器纵模间拍频信号的输出以及外部射频信号的注入。
另外，在上述系统中，射频源6通过高频传输线与环形器5连接，环形器5通过高频传输线分别与信号放大器7以及T型偏置器4连接，信号放大器7通过高频传输线与频谱分析仪8连接，T型偏置器4通过高频传输线与微带线3连接，由此可确保高频信号有效地传输。
本发明之二，即一种脉冲模式太赫兹量子级联激光器射频调制方法，包括以下步骤：
步骤S0，提供如上所述的脉冲模式太赫兹量子级联激光器射频调制系统；
步骤S1，利用脉冲源2驱动太赫兹量子级联激光器9工作在脉冲模式并产生激光器纵模间拍频信号；
步骤S2，利用环形器5将经过微带线3和T型偏置器4耦合输出的激光器纵模间拍频信号引导至信号放大器7进行放大后传输至频谱分析仪8，并利用该频谱分析仪8对激光器纵模间拍频信号进行频域分析；
步骤S3，根据频谱分析仪8对激光器纵模间拍频信号进行频域分析所获得的分析结果设置射频源6产生的射频信号的设定频率，并利用环形器5将射频信号引导至T型偏置器4，以使该射频信号经过T型偏置器4和微带线3注入太赫兹量子级联激光器9中进行射频调制。
在一个具体实施例中，太赫兹量子级联激光器9(以下简称为“激光器”)的有缘区采用共振声子结构，器件采用双面金属波导结构，波导宽度为100μm，解理器件长度为6mm。解理的激光器9芯片用铟焊在镀金铜热沉上，并在激光器9后端附近用银浆贴上微带线3，金丝键合将激光器9波导结构的上表面金属层后端引线至微带线3，再在激光器9一侧粘贴电极片1，金丝键合将激光器9的整个上表面金属层分散引线至电极片1。太赫兹激光光谱采用远红外傅里叶光谱仪检测。激光器9采用液氦制冷，温度控制在15K，激光器9在脉冲模式工作，脉冲源2的频率为2KHz，脉宽为5us，激光器9的激射频率约4.4THz。通过频谱分析仪8可以检测到脉冲模式驱动电流为8A时，激光器纵模间拍频信号的中心频率约为6.08GHz。根据这个结果，向激光器9中注入频率为6.08GHz、功率为25dBm的射频信号。图2示出了在8A驱动电流下，激光器9自由工作和射频调制两种工作状态的光谱，自由工作状态的激光光谱范围约从4.30THz到4.45THz，纵模约10个，而在射频调制作用下，激光光谱均匀展宽，纵模数约增加至44个左右，频率覆盖了从4.24THz到4.50THz，由此直接验证了本发明的可行性。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (6)

1.一种脉冲模式太赫兹量子级联激光器射频调制系统，其特征在于，所述系统包括：
一通过一电极片与所述太赫兹量子级联激光器连接的脉冲源，其驱动所述太赫兹量子级联激光器工作在脉冲模式并产生激光器纵模间拍频信号；
一通过一微带线与所述太赫兹量子级联激光器连接的T型偏置器；
一通过一环形器与所述T型偏置器连接的射频源，其产生一具有设定频率的射频信号；以及
与所述环形器连接的频谱分析仪；
其中，所述环形器配置为：一方面将经过所述微带线和所述T型偏置器耦合输出的所述激光器纵模间拍频信号引导至所述频谱分析仪，以使该频谱分析仪对所述激光器纵模间拍频信号进行频域分析，另一方面将所述射频信号引导至所述T型偏置器，以使该射频信号经过所述T型偏置器和所述微带线注入所述太赫兹量子级联激光器中进行射频调制；
所述射频信号的设定频率配置为：根据所述频谱分析仪对所述激光器纵模间拍频信号进行频域分析所获得的分析结果进行设置。
2.根据权利要求1所述的脉冲模式太赫兹量子级联激光器射频调制系统，其特征在于，所述太赫兹量子级联激光器的波导结构为半绝缘表面等离子体波导结构或双面金属波导结构，所述波导结构具有上表面金属层，且该上表面金属层的后端通过金丝键合连接至所述微带线，所述上表面金属层还通过金丝键合连接至所述电极片。
3.根据权利要求1所述的脉冲模式太赫兹量子级联激光器射频调制系统，其特征在于，所述环形器还配置为：使所述射频源与所述频谱分析仪之间信号隔离。
4.根据权利要求1所述的脉冲模式太赫兹量子级联激光器射频调制系统，其特征在于，所述系统还包括连接在所述环形器与所述频谱分析仪之间的、用于放大所述激光器纵模间拍频信号的信号放大器。
5.根据权利要求1所述的脉冲模式太赫兹量子级联激光器射频调制系统，其特征在于，所述射频源通过高频传输线与所述环形器连接，所述环形器通过高频传输线分别与所述频谱分析仪以及所述T型偏置器连接，所述T型偏置器通过高频传输线与所述微带线连接。
6.一种脉冲模式太赫兹量子级联激光器射频调制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤S0，提供如权利要求1-5中任意一项所述的脉冲模式太赫兹量子级联激光器射频调制系统；
步骤S1，利用脉冲源驱动所述太赫兹量子级联激光器工作在脉冲模式并产生激光器纵模间拍频信号；
步骤S2，利用环形器将经过微带线和T型偏置器耦合输出的所述激光器纵模间拍频信号引导至频谱分析仪，并利用该频谱分析仪对所述激光器纵模间拍频信号进行频域分析；
步骤S3，根据所述频谱分析仪对所述激光器纵模间拍频信号进行频域分析所获得的分析结果设置射频源产生的射频信号的设定频率，并利用所述环形器将所述射频信号引导至所述T型偏置器，以使该射频信号经过所述T型偏置器和所述微带线注入所述太赫兹量子级联激光器中进行射频调制。
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