CN109462140B - 一种射频注入调制的片上太赫兹双频梳装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种射频注入调制的片上太赫兹双频梳装置，包括太赫兹量子级联激光器和T型偏置器，所述太赫兹量子级联激光器在同一水平面上同时具有两个激光谐振腔，两个激光谐振腔分别具有各自的上电极和增益介质，并共享同一个下电极，分别独立工作；两个激光谐振腔各自的上电极分别通过不同的T型偏置器同时与不同的RF源和直流源的正极连接，两个激光谐振腔共同的下电极与各自的直流源的负极连接；其中，一个T型偏置器与RF源之间设有环形器，所述环形器通过低噪声放大器与频谱分析仪相连；所述两个激光谐振腔的相隔500‑5000μm。本发明能够稳定输出光模式，扩大输出频谱范围，实现太赫兹波段双频梳光谱。

Description

一种射频注入调制的片上太赫兹双频梳装置
技术领域
本发明涉及半导体光电器件应用技术领域，特别是涉及一种射频注入调制的片上太赫兹双频梳装置。
背景技术
频率梳是由一系列等间距分布且高度稳定的脉冲组成的宽带相干光源，采用双频梳技术的频率梳使高精度和宽光谱覆盖范围结合，在快速高分辨率光谱学中具有重大应用潜能。不同于传统的傅里叶变换红外(Fourier Transform Infrared,FTIR)光谱仪，双频梳外差光谱系统由于其紧凑的系统结构，在不需要移动任何组件就能实现快速高分辨率的光谱。在太赫兹(Terahertz，THz)波段，诸如有毒气体，生物样本以及毒品等物质具有典型的“指纹谱”，开发太赫兹波段的双频梳光谱装置具有重要的实用意义。现在的太赫兹波段频梳大都基于光电导天线或非线性晶体实现，其频梳光谱系统具有难以避免的缺陷，均需要飞秒激光泵浦，系统组成庞大，难以集成，此外，其光功率太低无法在太赫兹波段实现高分辨率双频梳光谱。
太赫兹量子级联激光器(Terahertz Quantum Cascade Lasers,THz QCLs)在1-5THz范围内是输出功率最强的相干光源，且具有很高的集成性，是太赫兹双频梳的理想光源。但是由于四波混频效应，限制了太赫兹量子级联激光器的输出频谱范围，不能直接作为太赫兹双频梳光源。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种射频注入调制的片上太赫兹双频梳装置，能够稳定输出光模式，扩大输出频谱范围，实现太赫兹波段双频梳光谱。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种射频注入调制的片上太赫兹双频梳装置，包括太赫兹量子级联激光器和T型偏置器，所述太赫兹量子级联激光器在同一水平面上同时具有两个激光谐振腔，两个激光谐振腔分别具有各自的上电极和增益介质，并共享同一个下电极，分别独立工作；两个激光谐振腔各自的上电极分别通过不同的T型偏置器同时与不同的RF源和直流源的正极连接，两个激光谐振腔共同的下电极与各自的直流源的负极连接；其中，一个T型偏置器与RF源之间设有环形器，所述环形器通过低噪声放大器与频谱分析仪相连；所述两个激光谐振腔的相隔500-5000μm。
所述两个激光谐振腔在同一个衬底上制作完成。
所述两个激光谐振腔的长度、宽度和高度均相同。
所述两个激光谐振腔的长度为2.5-15mm。
所述两个激光谐振腔的增益介质相同，增益带宽大于100GHz。
所述两个激光谐振腔的后端面2-5mm位置处均放置一个用于阻抗匹配的微带线，所述两个激光谐振腔各自的上电极一端分别通过金线引线与两个微带线键合，所述微带线与T型偏置器连接。
所述T型偏置器具有一个直流偏置端口、一个射频端口和一个混合端口，所述直流偏置端口与所述直流源连接，所述混合端口与所述微带线连接，所述射频端口与所述RF源连接。
所述两个激光谐振腔的上电极分别通过金线引线与两个陶瓷片键合，所述陶瓷片与所述直流源的正极连接。
所述两个射频源用于同时向与其连接的激光谐振腔中注入低功率的射频信号，所述射频信号频率接近激光谐振腔的腔往返频率。
所述两个直流源分别同时给与其连接的激光谐振腔供电，所述两个激光谐振腔的直流偏置并不相同。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明相比于传统傅里叶变换红外光谱仪，具有紧凑高效且高分辨率的特点。本发明在同一衬底上制作两个相同的激光谐振腔，并且通过精确的计算两个激光谐振腔的间距，如果间距过小会导致激光模式相互锁定，如果间距过大两束激光难以相干，都无法产生双频梳。此外本发明的采用射频注入调制方式以稳定激光模式，并且精确控制注入射频信号的频率和功率，功率过大会产生射频串扰，应用于物质的精密太赫兹光谱测量中。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中太赫兹量子级联激光器的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种太赫兹波段的双频梳光谱的装置，如图1所示，包括太赫兹量子级联激光器、可低温工作的微带线、直流源、T型偏置器以及RF源，该太赫兹量子级联激光器在同一水平面上同时具有两个激光谐振腔，分别称为第一激光谐振腔comb1和第二激光谐振腔comb2，第一激光谐振腔comb1和第二激光谐振腔comb2的上电极分别通过各自的T型偏置器同时与各自的RF源和直流源的正极连接，第一激光谐振腔comb1和第二激光谐振腔comb2的共同下电极与直流源的负极连接。
如图2所示，本实施方式中的太赫兹量子级联激光器具有两个激光谐振腔，分别称为第一激光谐振腔2和第二激光谐振腔3。第一激光谐振腔2和第二激光谐振腔3分别具有各自的上电极1和增益介质，共享同一个下电极4，分别独立工作。其中，所述第一激光谐振腔2和第二激光谐振腔3在同一衬底之上制作完成，两者的长度、宽度和高度均相同，且在同一水平面上。本实施方式中，两者的腔长相同，长度2.5-15mm，两者之间相隔500-5000μm。两者的增益介质相同，增益带宽大于100GHz。
所述第一激光谐振腔2和第二激光谐振腔3的后端面2-5mm位置处均放置有一个用于阻抗匹配的可超低温工作的微带线5。所述第一激光谐振腔2和第二激光谐振腔3独立工作，即分别独立的连接两个微带线、直流源、两个T型偏置器和两个射频源。
所述第一激光谐振腔2和第二激光谐振腔3的上电极分别通过金线引线与两个陶瓷片键合，该陶瓷片与所述直流源的正极一段连接。所述第一激光谐振腔2和第二激光谐振腔3的上电极一端分别通过金线引线与两个微带线键合，该微带线与T型偏置器连接。所述第一激光谐振腔2和第二激光谐振腔3的共同下电极与所述直流源的负极连接。
所述T型偏置器具有一个直流偏置端口、一个射频端口和一个混合端口，所述直流偏置端口与所述直流源连接，所述混合端口与所述微带线连接，所述射频端口与所述RF源连接。
采用上述装置实现太赫兹波段双频梳光谱，具体包括以下步骤：
步骤S1：提供一具有第一激光谐振腔comb1和第二激光谐振腔comb2的太赫兹量子级联激光器，并分别在第一激光谐振腔comb1和第二激光谐振腔comb2的后端面2mm位置提供用于阻抗匹配的微带线，微带线通过金线与上电极连接，并将其置于可工作的温度环境(液氦温度)之下；
步骤S2：提供直流源、T型偏置器、射频源，将直流源通过BNC线缆与T型偏置器的直流偏置端口连接，射频源通过高频同轴线缆与T型偏置器的射频端口连接，T型偏置器的混合端口与第一激光谐振腔comb1后端的微带线通过高频同轴线缆连接；
步骤S3：提供直流源、T型偏置器、低噪声放大器、射频源、环形器和频谱分析仪，将直流源通过BNC线缆与T型偏置器的直流偏置端口连接，射频源通过高频同轴线缆与环形器连接，频谱分析仪经过低噪声放大器通过高频同轴线缆与环形器连接，环形器通过高频同轴线缆与T型偏置器的射频端口连接，T型偏置器的混合端口与第二激光谐振腔comb2后端的微带线通过高频同轴线缆连接，值得注意的是，环形器按照其单向传播的三个端口连接的设备依次是射频源、T型偏置器的射频端口和低噪声放大器；
步骤S4：两个直流源分别同时给第一激光谐振腔comb1和第二激光谐振腔comb2供电，值得注意的是，第一激光谐振腔comb1和第二激光谐振腔comb2的直流偏置并不是完全相同，以确保第一激光谐振腔comb1和第二激光谐振腔comb2的频谱虽然重叠但是其频点并不完全相同；
步骤S5：两个射频源分别同时向第一激光谐振腔comb1和第二激光谐振腔comb2中注入低功率的射频信号，值得注意的是，注入的射频信号频率接近第一激光谐振腔comb1和第二激光谐振腔comb2的腔往返频率(即激射THz波的重复频率)，但不完全相等；
步骤S6：射频注入调制的第一激光谐振腔comb1和第二激光谐振腔comb2的光谱会互相拍频产生下转换谱，频谱覆盖范围可以达到所述增益介质的增益带宽。
所述注入的射频信号是低功率的(小于1dBm)，这是由于高功率的射频信号注入会导致射频串扰，最终导致双频梳光谱装置失效，而且，射频注入的主要作用是稳定第一激光谐振腔comb1和第二激光谐振腔comb2激射的THz模式，而不是拓宽其光谱。
不难发现，本发明的射频注入调制的片上双光梳光谱装置相比于传统傅里叶变换红外光谱仪，具有紧凑高效且高分辨率的特点。本发明在同一衬底上制作两个相同的激光谐振腔，并且通过精确的计算两个激光谐振腔的间距，如果间距过小会导致激光模式相互锁定，如果间距过大两束激光难以相干，都无法产生双频梳。此外本发明采用射频注入调制方式以稳定激光模式，并且精确控制注入射频信号的频率和功率，功率过大会产生射频串扰。本发明可应用于物质的精密太赫兹光谱测量中。

Claims (9)

1.一种射频注入调制的片上太赫兹双频梳装置，包括太赫兹量子级联激光器和T型偏置器，其特征在于，所述太赫兹量子级联激光器在同一水平面上同时具有两个长度、宽度和高度均相同的激光谐振腔，两个激光谐振腔分别具有各自的上电极和增益介质，并共享同一个下电极，分别独立工作；两个激光谐振腔各自的上电极分别通过不同的T型偏置器同时与不同的RF源和直流源的正极连接，两个激光谐振腔共同的下电极与各自的直流源的负极连接；其中，一个T型偏置器与RF源之间设有环形器，所述环形器通过低噪声放大器与频谱分析仪相连；所述两个激光谐振腔的相隔500-5000μm。
2.根据权利要求1所述的射频注入调制的片上太赫兹双频梳装置，其特征在于，所述两个激光谐振腔在同一个衬底上制作完成。
3.根据权利要求1所述的射频注入调制的片上太赫兹双频梳装置，其特征在于，所述两个激光谐振腔的长度为2.5-15mm。
4.根据权利要求1所述的射频注入调制的片上太赫兹双频梳装置，其特征在于，所述两个激光谐振腔的增益介质相同，增益带宽大于100GHz。
5.根据权利要求1所述的射频注入调制的片上太赫兹双频梳装置，其特征在于，所述两个激光谐振腔的后端面2-5mm位置处均放置一个用于阻抗匹配的微带线，所述两个激光谐振腔各自的上电极一端分别通过金线引线与两个微带线键合，所述微带线与T型偏置器连接。
6.根据权利要求5所述的射频注入调制的片上太赫兹双频梳装置，其特征在于，所述T型偏置器具有一个直流偏置端口、一个射频端口和一个混合端口，所述直流偏置端口与所述直流源连接，所述混合端口与所述微带线连接，所述射频端口与所述RF源连接。
7.根据权利要求1所述的射频注入调制的片上太赫兹双频梳装置，其特征在于，所述两个激光谐振腔的上电极分别通过金线引线与两个陶瓷片键合，所述陶瓷片与所述直流源的正极连接。
8.根据权利要求1所述的射频注入调制的片上太赫兹双频梳装置，其特征在于，所述两个射频源用于同时向与其连接的激光谐振腔中注入低功率的射频信号，所述射频信号频率接近激光谐振腔的腔往返频率。
9.根据权利要求1所述的射频注入调制的片上太赫兹双频梳装置，其特征在于，所述两个直流源分别同时给与其连接的激光谐振腔供电，所述两个激光谐振腔的直流偏置并不相同。
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