CN108023273A - 太赫兹量子级联激光器系统及其表征模式稳定性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种太赫兹量子级联激光器系统及其表征模式稳定性的方法，所述系统包括：直流驱动源，用于向太赫兹量子级联激光器系统供电；与直流驱动源连接的T型偏置器，用于将直流驱动源提供的信号进行偏置，并将偏置信号提供给太赫兹量子级联激光器，及耦合太赫兹量子级联激光器的拍频信号，并将该拍频信号引出到高速示波器；与T型偏置器一端连接的太赫兹量子级联激光器，用于发生多纵模激射并产生拍频信号；与T型偏置器另一端连接的高速示波器，用于检测拍频信号，并在时域上将该拍频信号合并成眼图。通过本发明的太赫兹量子级联激光器系统及其表征模式稳定性的方法，解决了现有技术中没有有效表征太赫兹量子级联激光器模式稳定性方法的问题。

Description

太赫兹量子级联激光器系统及其表征模式稳定性的方法
技术领域
本发明属于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系统及其表征模式稳定性的方法。
背景技术
太赫兹(THz)波是指频率从100GHz到10THz，相应波长从3mm到3um范围内，介于毫米波与红外光之间的电磁波；从物理学看，THz波处于电子学向光子学的过渡区；从频域上看，THz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，THz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，THz波在国民经济及国家安全等方面有重大的应用价值。
THz辐射源是THz频段应用的关键器件，在众多THz辐射产生方式中，基于半导体的全固态THz量子级联激光器(THz QCL)，是一种只有电子参与的单极激光器，电子通过子带间跃迁辐射太赫兹波。作为一种重要的太赫兹波辐射源，THz QCL由于其能量转换效率高、体积小、轻便和易集成等优点，成为本领域的研究热点。
由于在太赫兹通信、成像及光谱技术应用中，都要求THz QCL具有较好的模式稳定性，故现有技术中一般都采用饱和吸收效应的被动锁模以及施加调制信号的主动锁模机制来提高太赫兹量子级联激光器的模式稳定性。然而，现有技术中还没有一种能有效表征THzQCL模式稳定性的方法，因此，如何有效地表征THz QCL模式稳定性是目前丞待解决的问题。
鉴于此，有必要提供一种新的太赫兹量子级联激光器系统及其表征模式稳定性的方法用以解决此问题。
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系统及其表征模式稳定性的方法，用于解决现有技术中没有有效表征THz QCL模式稳定性的方法的问题。
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系统，所述太赫兹量子级联激光器系统包括：
直流驱动源，用于向所述太赫兹量子级联激光器系统供电；
与所述直流驱动源连接的T型偏置器，用于将直流驱动源提供的信号进行偏置，并将偏置信号提供给太赫兹量子级联激光器，以及耦合太赫兹量子级联激光器的拍频信号，并将该拍频信号引出到高速示波器；
与所述T型偏置器一端连接的太赫兹量子级联激光器，用于发生多纵模激射并产生拍频信号；
与所述T型偏置器另一端连接的高速示波器，用于检测该拍频信号，并在时域上将该拍频信号合并成眼图。
优选地，所述太赫兹量子级联激光器系统采用高频传输线连接。
优选地，所述太赫兹量子级联激光器采用液氦制冷或压缩机制冷。
优选地，所述直流驱动源提供的信号为电压信号或电流信号。
本发明还提供一种利用上述任一项所述的太赫兹量子级联激光器系统表征模式稳定性的方法，所述方法包括：
S1：直流驱动源通过T型偏置器将偏置信号加载到太赫兹量子级联激光器上；
S2：当偏置信号超过太赫兹量子级联激光器的阈值时，太赫兹量子级联激光器发生多纵模激射，产生拍频信号；
S3：T型偏置器耦合该拍频信号并将所述拍频信号引出到高速示波器；
S4：高速示波器检测所述拍频信号并在时域上将所述拍频信号合并成眼图，通过眼图的相关参数表征所述拍频信号在整体时间段的稳定性。
优选地，所述高速示波器将所述拍频信号合并成眼图的方法包括：
S41：利用高速示波器进行拍频信号的数据采集，将采集到的数据保存在其内存中，并通过其内存获得完整的数据记录；
S42：利用硬件或软件在数据记录中对所述拍频信号的时钟信号进行恢复或提取，得到同步时钟信号；
S43：将所述同步时钟信号与数据记录中的数据同步到每个比特，并通过触发恢复的时钟，把数据流中捕获的多个时钟周期的信号重叠，得到眼图。
优选地，所述相关参数包括眼高、眼宽或振幅中的一个或多个。
优选地，所述太赫兹量子级联激光器的激射频率为1～5THz。
优选地，所述拍频信号的频率与相邻纵模间的纵模间距相等。
优选地，所述纵模间距为1～20GHz。
如上所述，本发明的太赫兹量子级联激光器系统及其表征模式稳定性的方法，具有以下有益效果：本发明所述系统及表征方法通过表征拍频信号的稳定性间接、有效地表征了THz QCL模式稳定性，不仅实现了在时域上长时间整体稳定性的表征，而且所述表征方法更加简单直观。
附图说明
图1显示为本发明所述太赫兹量子级联激光器系统的系统框图。
图2显示为本发明所述太赫兹量子级联激光器表征模式稳定性的方法框图。
图3a显示为本发明所述拍频信号的时域图。
图3b显示为所述拍频信号局部区域A的放大图。
图4a和图4b显示为在不同驱动电流下拍频信号的眼图。
元件标号说明
1 太赫兹量子级联激光器系统
11 直流驱动源
12 T型偏置器
13 太赫兹量子级联激光器
14 高速示波器
A 拍频信号的局部区域
S1～S4 步骤
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。
请参阅图1至图4b。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。
实施例一
如图1所示，本实施例提供一种太赫兹量子级联激光器系统1，所述系统1包括：
直流驱动源11，用于向所述太赫兹量子级联激光器系统1供电；
与所述直流驱动源11连接的T型偏置器12，用于将直流驱动源11提供的信号进行偏置，并将偏置信号提供给太赫兹量子级联激光器13，以及耦合太赫兹量子级联激光器13的拍频信号，并将该拍频信号引出到高速示波器14；
与所述T型偏置器12一端连接的太赫兹量子级联激光器13，用于发生多纵模激射并产生拍频信号；
与所述T型偏置器12另一端连接的高速示波器14，用于检测该拍频信号，并在时域上将该拍频信号合并成眼图。
其中，所述太赫兹量子级联激光器系统1采用高频传输线连接，以确保拍频信号能够有效地传输到高速示波器14中。
具体的，所述直流驱动源11提供的信号为电压信号或电流信号。
具体的，所述太赫兹量子级联激光器13为任意一种太赫兹量子级联激光器结构，优选地，所述太赫兹量子级联激光器13包括：
衬底；
位于所述衬底上表面的下接触层；
位于所述下接触层上表面的有源区；
位于所述有源区上表面的上接触层；
位于所述上接触层上表面的上电极金属层；
以及位于所述部分下接触层表面的下电极金属层。
其中，所述太赫兹量子级联激光器采用半绝缘表面等离子体波导工艺制作，所述有源区采用束缚态向连续态跃迁和共振声子跃迁结合的结构。
进一步优选地，在本实施例中，所述太赫兹量子级联激光器的波导宽度为150um，其解理长度为6mm，中心频率约为4.2THz，有源区厚度为10um。
具体的，所述太赫兹量子级联激光器13采用液氦制冷或压缩机制冷，使其工作温度约保持在15K。
实施例二
如图2所示，本实施例提供一种利用实施例一所述的太赫兹量子级联激光器系统表征模式稳定性的方法，所述方法包括：
S1：直流驱动源通过T型偏置器将偏置信号加载到太赫兹量子级联激光器上；
S2：当偏置信号超过太赫兹量子级联激光器的阈值时，太赫兹量子级联激光器发生多纵模激射，产生拍频信号；
S3：T型偏置器耦合该拍频信号并将所述拍频信号引出到高速示波器；
S4：高速示波器检测所述拍频信号并在时域上将所述拍频信号合并成眼图，通过眼图的相关参数表征所述拍频信号在整体时间段的稳定性。
其中，所述高速示波器将所述拍频信号合并成眼图的方法包括：
S41：利用高速示波器进行拍频信号的数据采集，将采集到的数据保存在其内存中，并通过其内存获得完整的数据记录；
S42：利用硬件或软件在数据记录中对所述拍频信号的时钟信号进行恢复或提取，得到同步时钟信号；
S43：将所述同步时钟信号与数据记录中的数据同步到每个比特，并通过触发恢复的时钟，把数据流中捕获的多个时钟周期的信号重叠，得到眼图。
需要说明的是，一般采用软件PLL或硬件PLL进行时钟信号的恢复或提取，优选地，在本实施例中，采用软件PLL对所述时钟信号进行恢复。
需要说明的是，所述相关参数包括眼高、眼宽或振幅中的一个或多个。优选地，在本实施例中，所述相关参数为眼高和眼宽。
进一步需要说明的是，所述眼图反映了所述拍频信号的整体特征，所述眼高和眼宽越大，表明所述拍频信号在时域和频域上的噪声越小，即所述太赫兹量子级联激光器系统的模式稳定性越好。同时，所述眼高越大，说明所述拍频信号的周期可重复性越好；所述眼宽越接近所述拍频信号周期的一半，则说明所述拍频信号越稳定。
当所述偏置信号提供的电压或电流超过所述太赫兹量子级联激光器的阈值电压或电流时，所述太赫兹量子级联激光器发生多纵模激射，由于太赫兹量子级联激光器有源区的二阶非线性效应，相邻纵模间相互作用，产生一处于微波频段的拍频电磁波信号，即拍频信号；由于所述拍频信号的相位、频率及幅值与THz QCL产生的纵模的相位、频率及强度相关，因此，拍频信号的稳定性同时也反映了THz QCL模式的稳定性。
需要说明的是，由于THz QCL激光的相干性好，所述拍频信号在时域上表现为具有周期性的正弦波，因此，周期性的拍频信号在时域上合成眼图后，反映了所述拍频信号在时域和频域上的相位噪声，同时也反映了整体时间段内所述拍频信号的重复性。
进一步需要说明的是，所述拍频信号的频率与相邻纵模间的纵模间距相等。其中，所述纵模间距为1～20GHz。
需要说明的是，所述偏置信号可以为偏置电压信号或偏置电流信号中的一种。优选地，在本实施例中，所述偏置信号为偏置电流信号。
当所述偏置电流为0.9A时，经过高速示波器放大后，显示的时域下所述拍频信号如图3a所示，其中，监测时长为40us，所述拍频信号的幅值约为0.27V，周期约为161ps。其中，图3b为图3a局部区域A的放大图。
当所述偏置电流为0.9A时，高速示波器将THz QCL所产生的拍频信号合成眼图后，如图4a所示，所述眼图的眼宽约为70.8ps。
当所述偏置电流为1.15A时，高速示波器将THz QCL所产生的拍频信号合成眼图后，如图4b所示，所述眼图的眼宽约为63.4ps。
通过比较图4a和图4b可知，图4a所述眼图的眼宽更接近所述拍频信号周期的一半，则说明在0.9A的偏置电流下，所述太赫兹量子级联激光器系统的模式稳定性更好。
综上所述，本发明的太赫兹量子级联激光器系统及其表征模式稳定性的方法，具有以下有益效果：本发明所述系统及表征方法通过表征拍频信号的稳定性间接、有效地表征了THz QCL模式稳定性，不仅实现了在时域上长时间整体稳定性的表征，而且所述表征方法更加简单直观。
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系统，其特征在于，所述太赫兹量子级联激光器系统包括：
直流驱动源，用于向所述太赫兹量子级联激光器系统供电；
与所述直流驱动源连接的T型偏置器，用于将直流驱动源提供的信号进行偏置，并将偏置信号提供给太赫兹量子级联激光器，以及耦合太赫兹量子级联激光器的拍频信号，并将该拍频信号引出到高速示波器；
与所述T型偏置器一端连接的太赫兹量子级联激光器，用于发生多纵模激射并产生拍频信号；
与所述T型偏置器另一端连接的高速示波器，用于检测该拍频信号，并在时域上将该拍频信号合并成眼图。
2.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器系统，其特征在于，所述太赫兹量子级联激光器系统采用高频传输线连接。
3.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器系统，其特征在于，所述太赫兹量子级联激光器采用液氦制冷或压缩机制冷。
4.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器系统，其特征在于，所述直流驱动源提供的信号为电压信号或电流信号。
5.一种利用如权利要求1～4任一项所述的太赫兹量子级联激光器系统表征模式稳定性的方法，其特征在于，所述方法包括：
S1：直流驱动源通过T型偏置器将偏置信号加载到太赫兹量子级联激光器上；
S2：当偏置信号超过太赫兹量子级联激光器的阈值时，太赫兹量子级联激光器发生多纵模激射，产生拍频信号；
S3：T型偏置器耦合该拍频信号并将所述拍频信号引出到高速示波器；
S4：高速示波器检测所述拍频信号并在时域上将所述拍频信号合并成眼图，通过眼图的相关参数表征所述拍频信号在整体时间段的稳定性。
6.根据权利要求5所述的表征模式稳定性的方法，其特征在于，所述高速示波器将所述拍频信号合并成眼图的方法包括：
S41：利用高速示波器进行拍频信号的数据采集，将采集到的数据保存在其内存中，并通过其内存获得完整的数据记录；
S42：利用硬件或软件在数据记录中对所述拍频信号的时钟信号进行恢复或提取，得到同步时钟信号；
S43：将所述同步时钟信号与数据记录中的数据同步到每个比特，并通过触发恢复的时钟，把数据流中捕获的多个时钟周期的信号重叠，得到眼图。
7.根据权利要求5所述的表征模式稳定性的方法，其特征在于，所述相关参数包括眼高、眼宽或振幅中的一个或多个。
8.根据权利要求5所述的太赫兹量子级联激光器系统，其特征在于，所述太赫兹量子级联激光器的激射频率为1～5THz。
9.根据权利要求5所述的表征模式稳定性的方法，其特征在于，所述拍频信号的频率与相邻纵模间的纵模间距相等。
10.根据权利要求9所述的表征模式稳定性的方法，其特征在于，所述纵模间距为1～20GHz。
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