CN112670824B - 一种太赫兹量子级联激光器双光梳稳频系统 - Google Patents

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本发明涉及一种太赫兹量子级联激光器双光梳稳频系统，包括第一太赫兹量子级联激光器光频梳源、第二太赫兹量子级联激光器光频梳源、提取模块和锁相环，所述第一太赫兹量子级联激光器光频梳源发出的梳齿信号耦合进入所述第二太赫兹量子级联激光器光频梳源，并与所述第二太赫兹量子级联激光器光频梳源的梳齿信号相互作用产生双光梳信号；所述提取模块用于提取所述双光梳信号中的一根梳齿作为待锁相梳齿；所述锁相环用于对所述待锁相梳齿进行相位锁定。本发明实现高频率稳定性的THz QCL双光梳多外差光谱探测。

Description

一种太赫兹量子级联激光器双光梳稳频系统
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双光梳稳频系统。
背景技术
太赫兹是一种定义在100GHz～10THz之间的特殊电磁波，该波段内涵盖多数气体、生物分子等指纹峰。高分辨率太赫兹光谱测试对生物医疗监测、痕量气体追踪等领域具有重要意义。光频梳是一种具有超高频率稳定性和超低相位噪声的宽带相干光源，以光频梳作为光源将极大提高光谱检测的频率分辨率。太赫兹量子级联激光器(Terahertz quantumcascade laser，THz QCL)是1～5THz内最高效的THz辐射源，THz QCL光频梳是进行高分辨太赫兹光谱测试的理想选择。双光梳是由光频梳发展而来的多外差光谱探测技术，该技术最大的优势是可以摆脱传统THz光谱仪中移动结构的限制，保证最小设备体积的同时具有更高的输出功率和频率分辨率。
实现THz QCL双光梳多外差光谱探测应用之前，有两个问题亟需解决：提高频率稳定性和双光梳光谱探测。锁相是提高频率稳定性常用的方法，但在THz波段，由于缺乏高稳定THz源作为参考本振和合适的光学滤波器，难以直接实现THz QCL锁相。目前双光梳光谱探测多采用高速肖特基混频器或超低温工作的超导热电子探测器，不可避免的引入准直光路，同时也存在双光梳光谱系统信噪比受高速THz探测器性能制约的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种太赫兹量子级联激光器双光梳稳频系统，实现高频率稳定性的THz QCL双光梳多外差光谱探测。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种太赫兹量子级联激光器双光梳稳频系统，包括第一太赫兹量子级联激光器光频梳源、第二太赫兹量子级联激光器光频梳源、提取模块和锁相环，所述第一太赫兹量子级联激光器光频梳源发出的梳齿信号耦合进入所述第二太赫兹量子级联激光器光频梳源，并与所述第二太赫兹量子级联激光器光频梳源的梳齿信号相互作用产生双光梳信号；所述提取模块用于提取所述双光梳信号中的一根梳齿作为待锁相梳齿；所述锁相环用于对所述待锁相梳齿进行相位锁定。
所述第一太赫兹量子级联激光器光频梳源和第二太赫兹量子级联激光器光频梳源的激射光谱有重叠部分。
所述提取模块包括T型偏置器和可调谐带通滤波器，所述T型偏置器用于提取所述双光梳信号的电学高频信号，所述可调谐带通滤波器用于提取从双光梳信号的电学高频信号中滤出一根梳齿；所述T型偏置器的直流偏置端口与第二电流源连接，混合端口与所述第二太赫兹量子级联激光器光频梳源电连接，射频端口与所述可调谐带通滤波器的输入端连接；所述可调谐带通滤波器的输出端与所述锁相环相连；所述锁相环的输出端与所述第二电流源相连。
所述T型偏置器的工作带宽覆盖所述双光梳信号。
所述T型偏置器和可调谐带通滤波器之间还设置有微波混频器，所述微波混频器还与射频源相连，用于通过所述射频源提供的本振射频信号将GHz量级的双光梳信号下转换为MHz量级。
所述可调谐带通滤波器的带宽小于2倍双光梳信号的重复频率。
所述T型偏置器的混合端口通过微带线与所述第二太赫兹量子级联激光器光频梳源电连接。
所述锁相环还分别与第二电流源和射频源相连，所述锁相环通过对比所述射频源的频率与所述提取模块提取的待锁相梳齿的频率产生反馈信号，并将所述反馈信号作用于所述第二电流源。
所述第一太赫兹量子级联激光器光频梳源和第二太赫兹量子级联激光器光频梳源之间设有准直聚焦光路，所述准直聚焦光路用于将第一太赫兹量子级联激光器光频梳源发出的梳齿信号耦合进入所述第二太赫兹量子级联激光器光频梳源。
所述提取模块和锁相环之间还设有微波放大器，所述微波放大器用于对所述待锁相梳齿的幅值进行放大。
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：本发明充分利用了太赫兹量子级联激光器自探测特性，两个THz QCL光频梳拍频所产生的双光梳信号由其中一个光频梳进行探测。通过可调谐带通滤波器滤出THz QCL双光梳的一根梳齿作为待锁相梳齿，通过锁相环对此梳齿进行相位锁定，从而对THz QCL双光梳进行稳频，实现高频率稳定性的THz QCL双光梳多外差光谱探测。
附图说明
图1是本发明的原理图；
图2是本发明实施方式的结构示意图。
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量子级联激光器双光梳稳频系统，该系统基于THz QCL自探测特性，将THz双光梳系统中的一个THz QCL光频梳同时作为探测器，构成一种紧凑的太赫兹双光梳多外差光谱系统；基于THz QCL随泵浦电流微调谐特性，利用电锁相环将双光梳其中一根梳齿锁定，从而提高整体双光梳光谱的频率稳定性。如图1所示，在双光梳系统中，由于光频梳工作环境(包括驱动电流、工作温度、机械振动等)的影响，导致混频产生的双光梳信号为未锁定状态，梳齿在某一中心频率附近发生无规律的频率漂移。通过可调谐带通滤波器滤出THz QCL双光梳的一根梳齿作为待锁相梳齿，通过锁相环对此梳齿进行相位锁定，从而对THz QCL双光梳进行稳频，实现高频率稳定性的THz QCL双光梳多外差光谱探测。
本实施方式的太赫兹量子级联激光器双光梳稳频系统包括第一太赫兹量子级联激光器光频梳源、第二太赫兹量子级联激光器光频梳源、提取模块和锁相环，所述第一太赫兹量子级联激光器光频梳源发出的梳齿信号耦合进入所述第二太赫兹量子级联激光器光频梳源，并与所述第二太赫兹量子级联激光器光频梳源的梳齿信号相互作用产生双光梳信号；所述提取模块用于提取所述双光梳信号中的一根梳齿作为待锁相梳齿；所述锁相环用于对所述待锁相梳齿进行相位锁定。
其中，第一太赫兹量子级联激光器光频梳源和第二太赫兹量子级联激光器光频梳源具有重叠的光谱范围，其载波包络偏移频率之差小于重复频率之差，即混频可产生微波波段双光梳。
本实施方式的第一太赫兹量子级联激光器光频梳源和第二太赫兹量子级联激光器光频梳源均可以通过量子级联激光器实现，只需将量子级联激光器设置为光频梳模式工作即可，量子级联激光器中心频率可通过驱动电流的变化在一定带宽内实现线性调谐。具体的，增加电流，中心频率向高频移动；减小电流，中心频率向低频移动。该量子级联激光器同时作为THz高速混频器用于探测微波双光梳信号，即量子级联激光器可自探测。为了通过自探测实现微弱双光梳信号的提取，包括但不限于采用阻抗匹配器、波导结构设计等方式对量子级联激光器进行改造。
当因两个光频梳源之间的耦合率较小而不能产生较强的双光梳信号时，可利用准直聚焦光路提高两个光频梳源的耦合率，该准直聚焦光路包含两个抛物面反射镜，用于对两个光频梳源进行汇聚混频。
本实施方式的提取模块包括T型偏置器和可调谐带通滤波器，所述T型偏置器用于提取所述双光梳信号的电学高频信号，所述可调谐带通滤波器用于提取从双光梳信号的电学高频信号中滤出一根梳齿；所述T型偏置器的直流偏置端口与第二电流源连接，混合端口与所述第二太赫兹量子级联激光器光频梳源电连接，射频端口与所述可调谐带通滤波器的输入端连接；所述可调谐带通滤波器的输出端与所述锁相环相连；所述锁相环的输出端与所述第二电流源相连。其中，T型偏置器的工作带宽覆盖所述双光梳信号，可调谐带通滤波器的带宽小于2倍双光梳信号的重复频率。
值得一提的是，当双光梳齿间距过小，GHz波段的带通滤波器没有足够窄的带宽来滤出单一梳齿时，可利用窄带宽微波混频器将双光梳下混频至MHz量级，便于提取单一梳齿信号，通过微波混频器可对微波波段的双光梳信号进行下混频转换，将GHz量级的双光梳信号下混频至MHz量级。当待锁相梳齿的幅度小于所述电锁相环要求的输入射频信号最小值时，可利用微波放大器对待锁相梳齿进行放大。
下面通过一个具体的实施例来进一步说明本发明。
如图2所示，该系统包括两个THz QCL光频梳源(即光频梳1和光频梳2)、两个电流源(即电流源1和电流源2)、两个射频源(即射频源1和射频源2)、T型偏置器、微波混频器(可选的)、可调谐带通滤波器和电锁相环。
为了避免因耦合率过大而导致注入锁定，本实施例采用两个光频梳面对面直接耦合的方法，不采用任何准直聚焦光路。所述光频梳1直接耦合进入光频梳2，并与光频梳2的梳齿相互作用，拍频产生下转换的THz QCL双光梳，该THz QCL双光梳的载波处于微波波段。
所述THz QCL双光梳信号由光频梳2探测。通过微带线将光频梳2与T型偏置器电连接，其中微带线用于阻抗匹配，从而通过T型偏置器提取所述THz QCL双光梳的电学高频信号。所述T型偏置器的直流偏置端口与所述电流源2连接，所述混合端口通过微带线与所述光频梳2电连接，所述射频端口与所述微波混频器的RF端连接。
所述微波混频器的LO端口与所述射频源2连接，IF端口与所述可调谐带通滤波器连接。所述微波混频器用于下转换THz QCL双光梳信号，通过所述射频源2所提供的本振射频信号，将GHz量级的THz QCL双光梳信号下转换为MHz量级，以便通过处于MHz工作频段的所述可调谐带通滤波器提取待锁相梳齿。
所述可调谐带通滤波器的输出端连接所述电学锁相环的RF端，所述电锁相环的LO端连接所述射频源1的输出端。所述可调谐带通滤波器用于从所述THz QCL双光梳中滤出一根梳齿。例如光频梳1的梳齿间距为6.632GHz，光频梳2的梳齿间距为6.643GHz，则拍频所产生的微波双光梳间距为11MHz，即要求所述可调谐窄带滤波器的带宽不超过22MHz。所述电锁相环的输出端连接电流源2，对光频梳2的泵浦电流进行调控，进而对所述待锁相梳齿进行相位锁定。
采用上述系统进行稳频时具体实施步骤如下：
步骤S1：本实施例中两个光频梳源分别标记为光频梳1和光频梳2，中心频率均为4.2THz，重复频率分别为6.632GHz和6.643GHz。光频梳1和光频梳2拍频产生的双光梳载波频率为4.02GHz。
步骤S2：提供两个电流源(Agilent,E3631A)，记为电流源1和电流源2，分别为光频梳1和光频梳2提供泵浦电流。电流源1直接与光频梳1电连接。电流源2连接所述T型偏置器的直流偏置端口，光频梳2电连接所述T型偏置器的混合端口。两个电流源所提供的输出电流均为790mA。
步骤S3：提供T型偏置器，用于提取双光梳射频信号。利用THz QCL自探测特性，光频梳1发出的光耦合进入光频梳2，两个双光梳拍频产生载波为4.02GHz、重复频率(梳齿间距)为11MHz的双光梳信号，该信号由光频梳2作为探测器进行探测。双光梳信号通过光频梳2的电极进入T型偏置器。T型偏置器的射频端口连接所述微波混频器的RF端口。
步骤S4：提供微波混频器(Mini-Circuits,ZX05-73L-S+)，用于将4.02GHz的双光梳载波下混频至100MHz。所述射频源2所提供的本振信号频率为3.92GHz。选取频率为4.018GHz的THz双光梳齿作为待锁相梳齿，该梳齿下混频后的频率为98MHz。
步骤S5：提供可调谐带通滤波器(K&L,5BT-95/190-5-N/N)，中心频率的调谐范围为95～190MHz，带宽约为10MHz。通过所述可调谐带通滤波器滤出所述频率为98MHz的待锁相梳齿。
步骤S6：提供两个射频源(Agilent，E4438C)，分别标记为射频源1和射频源2。射频源1连接电锁相环的LO端，为电锁相环提供频率为98MHz的本振信号。射频源2连接微波混频器的LO端，为微波混频器提供3.92GHz的本振信号。
步骤S7：提供电锁相环。电锁相环的RF端连接可调谐带通滤波器，输出端连接电流源2。电锁相环可调控电流源2的输出电流，从而对光频梳2的频梳谱位置进行微调谐，最终使得98MHz的待锁相梳齿处于相位锁定状态，即实现了相应微波波段4.018GHz梳齿的锁相。由于THz QCL光频梳齿间具有强烈的相干性，进而实现了THz QCL双光梳的稳频。
不难发现，本发明利用太赫兹量子级联激光器自探测特性和电锁相环技术，十分便捷地提取了THz QCL双光梳信号，并对该双光梳信号进行了锁相，实现对THz QCL双光梳的稳频。该方法不仅避开了在太赫兹波段复杂的混频、滤波、锁相等操作，而且不需要复杂的太赫兹混频装置以及光学抛物面镜、太赫兹探测器等设备。该方法简单快捷，可广泛用于太赫兹光谱测试技术中，对生物医疗监测、痕量气体追踪等领域具有重要意义。

Claims (9)

1.一种太赫兹量子级联激光器双光梳稳频系统，包括第一太赫兹量子级联激光器光频梳源、第二太赫兹量子级联激光器光频梳源、提取模块和锁相环，其特征在于，所述第一太赫兹量子级联激光器光频梳源发出的梳齿信号耦合进入所述第二太赫兹量子级联激光器光频梳源，并与所述第二太赫兹量子级联激光器光频梳源的梳齿信号相互作用产生双光梳信号；所述提取模块用于提取所述双光梳信号中的一根梳齿作为待锁相梳齿；所述锁相环用于对所述待锁相梳齿进行相位锁定；所述提取模块包括T型偏置器和可调谐带通滤波器，所述T型偏置器用于提取所述双光梳信号的电学高频信号，所述可调谐带通滤波器用于提取从双光梳信号的电学高频信号中滤出一根梳齿；所述T型偏置器的直流偏置端口与第二电流源连接，混合端口与所述第二太赫兹量子级联激光器光频梳源电连接，射频端口与所述可调谐带通滤波器的输入端连接；所述可调谐带通滤波器的输出端与所述锁相环相连；所述锁相环的输出端与所述第二电流源相连。
2.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器双光梳稳频系统，其特征在于，所述第一太赫兹量子级联激光器光频梳源和第二太赫兹量子级联激光器光频梳源的激射光谱有重叠部分。
3.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器双光梳稳频系统，其特征在于，所述T型偏置器的工作带宽覆盖所述双光梳信号。
4.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器双光梳稳频系统，其特征在于，所述T型偏置器和可调谐带通滤波器之间还设置有微波混频器，所述微波混频器还与射频源相连，用于通过所述射频源提供的本振射频信号将GHz量级的双光梳信号下转换为MHz量级。
5.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器双光梳稳频系统，其特征在于，所述可调谐带通滤波器的带宽小于2倍双光梳信号的重复频率。
6.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器双光梳稳频系统，其特征在于，所述T型偏置器的混合端口通过微带线与所述第二太赫兹量子级联激光器光频梳源电连接。
7.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器双光梳稳频系统，其特征在于，所述锁相环还分别与第二电流源和射频源相连，所述锁相环通过对比所述射频源的频率与所述提取模块提取的待锁相梳齿的频率产生反馈信号，并将所述反馈信号作用于所述第二电流源。
8.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器双光梳稳频系统，其特征在于，所述第一太赫兹量子级联激光器光频梳源和第二太赫兹量子级联激光器光频梳源之间设有准直聚焦光路，所述准直聚焦光路用于将第一太赫兹量子级联激光器光频梳源发出的梳齿信号耦合进入所述第二太赫兹量子级联激光器光频梳源。
9.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器双光梳稳频系统，其特征在于，所述提取模块和锁相环之间还设有微波放大器，所述微波放大器用于对所述待锁相梳齿的幅值进行放大。
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