CN109273983A - 一种太赫兹量子级联激光器及其光谱调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种太赫兹量子级联激光器，包括耦合腔、直流源、T型偏置器以及RF源，该耦合腔具有短腔和长腔，其中长腔连接直流源，所述短腔通过T型偏置器和直流源相连，所述T型偏置器还与RF源相连。本发明还提供了该太赫兹量子级联激光器的光谱调制方法。本发明的太赫兹量子级联激光器采用耦合腔结构作为激光器的谐振腔，并用于太赫兹波的光谱调制中，相比于传统的Fabry‑Pérot谐振腔难以进一步提高RF注入调制效率的情况，耦合腔结构由于短腔的面积小，能够降低器件电容，从而在太赫兹量子级联激光器锁模操作时提高注入调制效率。

Description

一种太赫兹量子级联激光器及其光谱调制方法
技术领域
本发明属于半导体光电器件应用技术领域，涉及一种太赫兹量子级联激光器及其光谱调制方法。
背景技术
太赫兹锁模激光器能够发出各振荡模式的频率间隔保持一定并具有确定相位关系的超短太赫兹脉冲，其在高分辨率计量、无损检测、光谱成像以及无线通讯等领域有广阔的应用前景。电泵浦的太赫兹量子级联激光器(Terahertz Quantum Cascade Lasers,THzQCL)由于功率高、远场光斑小以及频谱宽等特点是产生锁模脉冲的理想激光源。
在半导体激光器中，射频(Radio Frequency,RF)注入调制技术是实现锁模的常见调制技术，当太赫兹量子级联激光器被RF调制时，RF调制频率与谐振腔的往返频率(即激光器各纵模的频率间隔)相当时，THz脉冲的各纵模间距就会被精确锁定，得到超短脉宽的锁模脉冲序列。由于太赫兹量子级联激光器器件可以等效为一个电容-电阻-电感(LRC)电路，其调制特性由电路中等效的电感值和电容值决定。太赫兹量子级联激光器可以看作为一个平行板电容器，其电容值正比于上电极的面积，反比于有源区厚度。电容越大，频率响应衰减越快；电容越小，3dB衰减所对应的频率越高，越适合高频调制。
传统Fabry-Pérot谐振腔的太赫兹量子级联激光器在射频(Radio Frequency,RF)注入调制下的有源锁模操作已经在实验上得到证明，并且获得了皮秒(Picosecond,ps)量级的脉冲宽度，但是由于Fabry-Pérot谐振腔的面积较大导致在进行RF注入调制时器件存在的寄生电容较大，限制了调制效率，Fabry-Pérot谐振腔太赫兹量子级联激光器的脉冲宽度难以进一步缩短。
尽管可见光或近红外波段的锁模激光器可以采用耦合腔结构来实现锁模，但不同于可见光或近红外波段激光器，由于太赫兹量子级联激光器的有源区增益带宽较窄，在有源区增益带宽覆盖范围之内，仅存在单个或几个纵模具有较低的损耗，导致耦合腔结构的太赫兹量子级联激光器通常表现为单模工作模式，无法用于实现锁模操作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种太赫兹量子级联激光器及其光谱调制方法，以在太赫兹量子级联激光器锁模操作时提高注入调制效率。
本发明提供一种太赫兹量子级联激光器，包括耦合腔、直流源、T型偏置器以及RF源，该耦合腔具有短腔和长腔，其中长腔连接直流源的一端，所述短腔通过T型偏置器和直流源的另一端相连，所述T型偏置器还与RF源相连。
所述耦合腔具有下电极、增益介质及上电极，其短腔和长腔之间具有一条空气间隙。
所述空气间隙穿透所述增益介质和上电极。
所述短腔通过金线引线与一微带线键合，所述微带线通过金线引线还与所述下电极键合，该微带线并与T型偏置器相连。
所述长腔通过金线引线与一陶瓷片键合，该陶瓷片与所述直流源的正极的一端连接。
所述增益介质的增益带宽大于200GHz。
所述耦合腔的宽度为50-500μm，且腔长为2-20mm。
所述短腔的长度为20-500μm，空气间隙的宽度为2-10μm，深度大于12μm。
所述T型偏置器具有一直流偏置端口、一射频端口和一混合端口，所述直流偏置端口与所述直流源相连，所述混合端口与所述短腔相连，所述射频端口与所述RF源相连。
进一步地，本发明还提供一种太赫兹量子级联激光器的光谱调制方法，其特征在于，包括：
步骤S1：提供一Fabry-Pérot谐振腔，并在其上刻蚀出一条空气间隙，得到一在空气间隙两侧具有短腔和长腔的耦合腔；
步骤S2：提供直流源、T型偏置器、低噪声放大器和频谱分析仪，将直流源的一端通过T型偏置器与所述耦合腔的短腔相连，将其另一端与所述耦合腔的长腔相连，并将该T型偏置器通过噪声放大器与频谱分析仪相连，该频谱分析仪测量得到RF注入频率；
步骤S3：移除低噪声放大器和频谱分析仪，并将一RF源与该T型偏置器相连，所述RF源的RF频率值设置为步骤S2所测量的RF注入频率。
所述刻蚀采用干法刻蚀技术或聚焦离子束刻蚀技术进行。
本发明的太赫兹量子级联激光器采用耦合腔结构作为激光器的谐振腔，并用于太赫兹波的光谱调制中，相比于传统的Fabry-Pérot谐振腔难以进一步提高RF注入调制效率的情况，耦合腔结构由于短腔的面积小，能够降低器件电容，从而在太赫兹量子级联激光器锁模操作时提高注入调制效率。此外，本发明通过选择大增益带宽的有源区材料以及合理设计长腔和短腔的腔长，使耦合腔太赫兹量子级联激光器能够在自由工作模式下多纵模激发，因此，当向太赫兹量子级联激光器的耦合腔中的短腔注入特定频率的RF信号时，可实现太赫兹量子级联激光器多纵模激发、频谱展宽的锁模操作。此外，本发明的太赫兹量子级联激光器的光谱调制方法包括在Fabry-Pérot谐振腔上刻蚀出一条空气间隙，且该刻蚀采用干法刻蚀技术或聚焦离子束刻蚀技术，可以实现纳米量级的刻蚀精度。
附图说明
图1为根据本发明的一个实施例的太赫兹量子级联激光器的结构示意图。
图2为如图1所示的太赫兹量子级联激光器的耦合腔的示意图。
图3为根据本发明的一个实施例的太赫兹量子级联激光器的测试系统的结构示意图。
图4为根据本发明的太赫兹量子级联激光器在RF注入调制下的光谱，从上往下依次为注入频率功率25dBm、20dBm、10dBm、0dBm，激光器自由工作状态在最下面作为参考。可以发现，当随着注入RF频率功率逐渐增加时，太赫兹量子级联激光器的频谱中模式逐渐增多，且各纵模之间间距相等。
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，使能更好地理解本发明的功能、特点。
如图1所示为根据本发明的一个实施例的太赫兹量子级联激光器，其包括耦合腔1、直流源2、T型偏置器3以及RF源4，该耦合腔1具有短腔11和长腔12，其中长腔12连接直流源2的另一端，所述短腔11通过T型偏置器3和直流源2的另一端相连，由此，直流源2的直流偏置同时施加于短腔11和长腔12上。该T型偏置器3具有一直流偏置端口31、一射频端口32和一混合端口33，直流偏置端口31和混合端口33通过一电感相连，且射频端口32和混合端口33通过一电容相连；所述直流偏置端口31与所述直流源2相连，所述混合端口33与所述耦合腔1的短腔11相连，所述射频端口32与RF源4相连。由此，具有一定功率的RF信号与由直流源2提供的直流偏置通过T型偏置器3叠加注入到耦合腔1的短腔11，而长腔12仍然只有直流电泵浦，由于短腔的面积减小，明显降低了激光器等效电路的电容，从而提高了RF的调制效率。
如图2所示为耦合腔1的具体结构。该耦合腔1是由采用半绝缘表面等离子体波导工艺制作的Fabry-Pérot谐振腔10制作而成，因此该耦合腔1具有自下而上依次排布的下电极14、增益介质15和上电极16。其中，为了使太赫兹量子级联激光器在无RF信号注入调制时能够多纵模激发，进而能够在RF信号注入时实现锁模，所述增益介质15采用分子束外延技术生长的GaAs/AlGaAs基材料制成，并采用束缚态向连续态跃迁和共振声子跃迁结合的结构，以实现较宽的带宽增益，使得增益带宽大于200GHz。在本实施例中，所述增益介质15采用束缚态向连续态跃迁和共振声子跃迁结合的结构，包括自下而上的76个周期的多量子阱；每个周期的多量子阱均包括相间设置的9层Al0.25Ga0.75As层和9层GaAs层，所述Al0.25Ga0.75As层的厚度依次为4.1nm、1.0nm、1.0nm、2.1nm、3.1nm、3.1nm、3.1nm、3.1nm、3.4nm,所述GaAs层的厚度依次为3.8nm、23.6nm、13.8nm、11.8nm、9.6nm、8.7nm、7.7nm、17.2nm、14.8nm。此外，所述耦合腔1的宽度为50-500μm、且腔长为2-20mm，以通过较长的谐振腔保证较小的光谱纵模间距。
耦合腔1的短腔11和长腔12具体是通过在所述Fabry-Pérot谐振腔10上刻蚀出一条空气间隙13制作而成的，因此其短腔11和长腔12之间具有一条空气间隙13，且该空气间隙13穿透所述增益介质15和上电极16。短腔11的长度为20-500μm，空气间隙13的宽度为2-10μm，且深度大于12μm，以保证有源区完全被空气间隙分开。
由此，该耦合腔1通过谐振腔的腔长设置和较宽增益带宽的增益介质，太赫兹量子级联激光器的频谱范围更广，进而能够用于产生锁模脉冲。此外，由于该耦合腔1是基于半导体刻蚀技术和传统Fabry-Pérot谐振腔制作而成且由长短两个不同的谐振腔以及空气间隙组合而成的耦合腔结构，该结构由于短腔的面积小，器件等效电路的电容远远小于Fabry-Pérot谐振腔，因此，能够补Fabry-Pérot谐振腔进一步提高RF注入调制效率的短板，在实现太赫兹量子级联激光器的锁模操作时提高RF注入调制效率。
再请参见图2，耦合腔1还包括微带线5和陶瓷片6，所述短腔11通过金线引线与微带线5键合，以实现阻抗匹配，减小RF注入时的反射。该微带线5通过金线引线与所述下电极14键合，且该微带线5与T型偏置器3相连，从而连接直流源2同时提取/注入RF信号。所述耦合腔1的长腔12通过金线引线与陶瓷片6键合，该陶瓷片6连接所述直流源2的正极的一端，以使得电流源2的正极加载在长腔12上，给本发明的太赫兹量子级联激光器施加直流电泵浦。
下面结合图1和图3具体介绍根据上文所述的太赫兹量子级联激光器的光谱调制方法。
步骤S1：提供一Fabry-Pérot谐振腔10，并采用干法刻蚀技术(包括电感耦合等离子体刻蚀和反应离子刻蚀技术)或聚焦离子束刻蚀技术在其上刻蚀出一条空气间隙13，得到一在空气间隙13两侧具有短腔11和长腔12的耦合腔1；
步骤S2：如图3所示，搭建太赫兹量子级联激光器的测试系统，具体包括：提供一直流源2、一T型偏置器3、一低噪声放大器7和一频谱分析仪8，将直流源2的一端通过T型偏置器3与微带线5相连，进而与所述耦合腔1的短腔11相连，同时直流源2的另一端与所述陶瓷片6相连，以陶瓷片6为媒介，进而与耦合腔1的长腔12相连；并将该T型偏置器3通过噪声放大器7与频谱分析仪8相连，从而使得T型偏置器3提取耦合腔1的腔内拍频信号，并将该信号经低噪声放大器7放大后由频谱分析仪8测量，频谱分析仪8得到RF注入频率。耦合腔1在自由工作状态下，其各纵模之间以及基模和高阶横模之间会产生拍频信号，产生的拍频信号与纵模又会产生差频以及倍频信号，各个模式(包括各纵模之间以及基模与高阶模之间)的拍频信号会落到微波频段，可以通过频谱分析仪准确分析这些微波信号，所测得的信号可以为RF注入调制技术提供频率参考。
步骤S3：搭建如图1所示的太赫兹量子级联激光器，具体包括：移除低噪声放大器7和频谱分析仪8，并将一RF源4与该T型偏置器3相连，由此，RF源4的RF信号通过T型偏置器3与直流源2的直流偏置共同注入到短腔11中。其中，RF源4的RF频率值设置为步骤S2所测量的RF注入频率。此外，自耦合腔1发射的THz脉冲可由一光谱仪9收集分析，以观察本发明的太赫兹量子级联激光器的光谱。
其中，所述步骤S2和步骤S3均在工作温度保持一致的环境下进行，该工作温度通过采用液氦制冷方式实现，维持在5-50K之间，以保证激光器激射。
实验结果
如图4所示，为步骤S3所测得的本发明的太赫兹量子级联激光器在不同RF注入频率功率下的光谱，其中注入RF信号频率等于步骤S2测试系统中测得的频率，从上往下依次为注入频率功率25dBm、20dBm、10dBm、0dBm，激光器自由工作状态在最下面作为参考。可以发现，当随着注入频率功率逐渐增加时，太赫兹量子级联激光器的频谱中模式逐渐增多，各纵模之间间距相等，且激光器由单模工作状态被调制为高达七个模式的多模工作状态(RF信号频率等于基模与高阶模差频的二倍频，功率为25dBm)。此外还可发现，当注入的RF频率等于基模与高阶横模差频的二倍频时，调制效果明显，在RF信号调制下，太赫兹量子级联激光器中更多的纵模能够突破损耗激发出来，纵模数量显著增加，激射谱均匀展宽，在时域上表现为超短脉冲序列。
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 (11)

1.一种太赫兹量子级联激光器，其特征在于，包括耦合腔(1)、直流源(2)、T型偏置器(3)以及RF源(4)，该耦合腔(1)具有短腔(11)和长腔(12)，其中长腔(12)连接直流源(2)的一端，所述短腔(11)通过T型偏置器(3)和直流源(2)的另一端相连，所述T型偏置器(3)还与RF源(4)相连。
2.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器，其特征在于，所述耦合腔(1)具有下电极(14)、增益介质(15)及上电极(16)，其短腔(11)和长腔(12)之间具有一条空气间隙(13)。
3.根据权利要求2所述的太赫兹量子级联激光器，其特征在于，所述空气间隙(13)穿透所述增益介质(15)和上电极(16)。
4.根据权利要求2所述的太赫兹量子级联激光器，其特征在于，所述短腔(11)通过金线引线与一微带线(5)键合，所述微带线(5)通过金线引线还与所述下电极(14)键合，该微带线(5)并与T型偏置器(3)相连。
5.根据权利要求2所述的太赫兹量子级联激光器，其特征在于，所述长腔(12)通过金线引线与一陶瓷片(6)键合，该陶瓷片(6)与所述直流源(2)的正极的一端连接。
6.根据权利要求2所述的太赫兹量子级联激光器，其特征在于，所述增益介质(15)的增益带宽大于200GHz。
7.根据权利要求2所述的太赫兹量子级联激光器，其特征在于，所述耦合腔(1)的宽度为50-500μm，且腔长为2-20mm。
8.根据权利要求7所述的太赫兹量子级联激光器，其特征在于，所述短腔(11)的长度为20-500μm，空气间隙(13)的宽度为2-10μm，深度大于12μm。
9.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器，其特征在于，所述T型偏置器(3)具有一直流偏置端口(31)、一射频端口(32)和一混合端口(33)，所述直流偏置端口(31)与所述直流源(2)相连，所述混合端口(33)与所述短腔(11)相连，所述射频端口(12)与所述RF源(4)相连。
10.一种根据权利要求1-9之一所述的太赫兹量子级联激光器的光谱调制方法，其特征在于，包括：
步骤S1：提供一Fabry-Pérot谐振腔(10)，并在其上刻蚀出一条空气间隙(13)，得到一在空气间隙(13)两侧具有短腔(11)和长腔(12)的耦合腔(1)；
步骤S2：提供直流源(2)、T型偏置器(3)、低噪声放大器(7)和频谱分析仪(8)，将直流源(2)的一端通过T型偏置器(3)与所述耦合腔(1)的短腔(11)相连，同时将其另一端与所述耦合腔(1)的长腔(12)相连，并将该T型偏置器(3)通过噪声放大器(7)与频谱分析仪(8)相连，该频谱分析仪(8)测量得到RF注入频率；
步骤S3：移除低噪声放大器(7)和频谱分析仪(8)，并将一RF源(4)与该T型偏置器(3)相连，所述RF源(4)的RF频率值设置为步骤S2所测量的RF注入频率。
11.一种根据权利要求10所述的太赫兹量子级联激光器的光谱调制方法，其特征在于，所述刻蚀采用干法刻蚀技术或聚焦离子束刻蚀技术进行。
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