CN114414522B - 采用太赫兹光学自探测表征光频梳相干光谱的装置和方法 - Google Patents

采用太赫兹光学自探测表征光频梳相干光谱的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种采用太赫兹光学自探测表征光频梳相干光谱的装置和方法，装置包括太赫兹量子级联激光器、IQ解调器、干涉仪、锁相放大器、拍频信号提取器、第一T型偏置器和第二T型偏置器。其中，所述待测太赫兹量子级联光频梳的出射光经过所述干涉仪发生干涉，耦合至所述太赫兹量子级联激光器谐振腔内，所述太赫兹量子级联激光器作为探测器测得光频梳模式间拍频的干涉信号。本发明不同于传统傅里叶变换光谱法测得的强度干涉谱，本发明测得是模式间拍频信号的干涉谱，对其进行傅里叶变换可得到光频梳的相干光谱，从而能够表征太赫兹量子级联光频梳梳齿之间的频率与相位信息。

Description

采用太赫兹光学自探测表征光频梳相干光谱的装置和方法
技术领域
本发明涉及半导体光电器件应用技术领域，特别是涉及一种采用太赫兹光学自探测表征光频梳相干光谱的装置和方法。
背景技术
光频梳，具有相等的模式间间距和相位差，频谱覆盖范围广，在高精度计量学和高分辨率光谱学等领域享有优势。在实现应用之前，需要对所采用的的光频梳进行表征，现阶段有如下几种方式：1，利用传统的傅里叶变换红外光谱仪测量其光谱，观察模式数量与频率分布；2，测量光频梳的模式间拍频的线宽，强度等，或者测量不同电流下的模式间拍频信号绘制mapping图，以模式间拍频为单一频率的区域为光频梳形成的区域；3，利用两个光频梳拍频得到双光梳，通过射频范围的双光梳谱反映太赫兹范围的光频梳的性质。但是，以上方法皆无法直接获得光频梳梳齿之间的相位信息。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种采用太赫兹光学自探测表征光频梳相干光谱的装置和方法，能够表征太赫兹量子级联光频梳梳齿之间的频率与相位信息。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种采用太赫兹光学自探测表征光频梳相干光谱的装置，包括太赫兹量子级联激光器、IQ解调器、干涉仪、锁相放大器、拍频信号提取器、第一T型偏置器和第二T型偏置器，所述第一T型偏置器与待测太赫兹量子级联光频梳相连，交流端口与所述IQ解调器的本振端口相连；所述太赫兹量子级联激光器与所述第二T型偏置器相连，所述第二T型偏置器的交流端口通过所述拍频信号提取器与所述IQ解调器的射频端口相连，直流端口与所述锁相放大器的输入端口相连，所述IQ解调器的I端输出口和Q端输出口均与所述锁相放大器相连；所述待测太赫兹量子级联光频梳的出射光经过所述干涉仪后至所述太赫兹量子级联激光器的谐振腔中，所述太赫兹量子级联激光器作为探测器，测得所述待测太赫兹量子级联光频梳的模式间拍频信号以及与所述太赫兹量子级联激光器之间的模式拍频信号，所述拍频信号提取器用于提取所述待测太赫兹量子级联光频梳的模式间拍频信号作为所述IQ解调器的射频端的输入，所述第一T型偏置器直接提取所述待测太赫兹量子级联光频梳的模式间拍频信号作为所述IQ解调器的本振端的输入，所述锁相放大器用于记录所述第二T型偏置器的直流端口的输出信号、所述IQ解调器的I端输出口和Q端输出口的输出信号。
所述第一T型偏置器的交流端口与所述IQ解调器的本振端口之间设置有第一放大器，所述第二T型偏置器的交流端口与所述拍频信号提取器之间设置有第二放大器。
所述待测太赫兹量子级联光频梳的后端面2～5mm位置处放有用于阻抗匹配的第一微带线；所述太赫兹量子级联激光器的后端面2～5mm位置处放有用于阻抗匹配的第二微带线。
所述第一微带线通过金线键合与所述待测太赫兹量子级联光频梳的上电极相连，所述第二微带线通过金线键合与所述太赫兹量子级联激光器的上电极相连。
所述待测太赫兹量子级联光频梳的上电极通过金线键合与陶瓷片相连，所述陶瓷片与第一直流源的正极相连，所述待测太赫兹量子级联光频梳的下电极与所述第一直流源负极相连；所述太赫兹量子级联激光器的上电极通过金线键合与陶瓷片相连，所述陶瓷片与第二直流源的正极相连，所述太赫兹量子级联激光器的下电极与所述第二直流源的负极相连。
所述拍频信号提取器为带通滤波器。
一种采用太赫兹光学自探测表征光频梳相干光谱的方法，采用上述的采用太赫兹光学自探测表征光频梳相干光谱的装置，包括以下步骤：
(1)第一直流源和第二直流源分别给所述待测太赫兹量子级联光频梳与所述太赫兹量子级联激光器供电，使所述待测太赫兹量子级联光频梳与所述太赫兹量子级联激光器处于正常工作状态；
(2)调整所述干涉仪中的两条干涉臂的长度至相等，所述待测太赫兹量子级联光频梳的出射光经过所述干涉仪后耦合至所述太赫兹量子级联激光器的谐振腔内，所述锁相放大器记录所述第二T型偏置器的直流端口的输出信号、所述IQ解调器的I端输出口和Q端输出口的输出信号；
(3)以固定步长调整所述干涉仪中一条干涉臂的长度，实现对实际延迟的调整，每调整一次所述锁相放大器记录一次所述第二T型偏置器的直流端口的输出信号、所述IQ解调器的I端输出口和Q端输出口的输出信号；
(4)以实际延迟为横轴，所述第二T型偏置器的直流端口的输出信号、所述IQ解调器的I端输出口和Q端输出口的输出信号分别为纵轴，得到I信号干涉谱、Q信号干涉谱和直流信号干涉谱，分别对所述I信号干涉谱、Q信号干涉谱和直流信号干涉谱进行傅里叶变换得到X信号、Y信号和Z信号；其中，Z信号作为发射光谱，X+iY作为包含有相位信息的发射光谱；
(5)通过所述X信号、Y信号和Z信号鉴定所述太赫兹量子级联光频梳是否为光频梳。
所述步骤(5)具体为：比较所述发射光谱和所述包含有相位信息的发射光谱，若两者能够重合，则表示所述待测太赫兹量子级联光频梳不同模式的频率间隔与相位差恒定。
所述步骤(5)具体为：计算所述包含有相位信息的发射光谱对应的相位谱，若不同模式的相位差保持一致，则表示所述待测太赫兹量子级联光频梳的梳齿之间频率间隔和相位差相等。
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：本发明可以测得包含有相位信息的发射光谱，从而实现直接提取梳齿之间相位信息，并且本发明采用太赫兹量子级联激光器作为探测器，在太赫兹信号的测量方面，比QWIP有更大的响应带宽，比HEB有更高的工作温度。
附图说明
图1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采用太赫兹光学自探测表征光频梳相干光谱的装置，如图1所示，包括太赫兹量子级联激光器1，待测太赫兹量子级联光频梳2和迈克尔逊干涉仪3，第一直流源4与所述待测太赫兹量子级联光频梳2相连，所述待测太赫兹量子级联光频梳2与第一T型偏置器5相连，所述第一T型偏置器5交流端口第一放大器6相连，所述第一放大器6与IQ解调器7的本振端口LO相连；第二直流源8与所述太赫兹量子级联激光器1相连，所述太赫兹量子级联激光器1与第二T型偏置器9相连，所述第二T型偏置器9的直流端口与锁相放大器10的输入端口相连，所述第二T型偏置器9的交流端口与第二放大器11相连，所述第二放大器11与带通滤波器12相连，所述带通滤波器12与所述IQ解调器7的射频RF端口相连，所述IQ解调器7的I输出端口和Q输出端口分别与所述锁相放大器10相连，其中，所述待测太赫兹量子级联光频梳2的出射光经过第一离轴抛物面镜13汇聚为平行光，经过所述迈克尔逊干涉仪3，再由第二离轴抛物面镜14汇聚为点光源，并耦合至所述太赫兹量子级联激光器1的谐振腔中，所述太赫兹量子级联激光器1作为探测器，测得所述太赫兹量子级联光频梳2模式间拍频、激光器之间的模式拍频等信号，所述带通滤波器12用于提取所述待测太赫兹量子级联光频梳2的模式间拍频信号作为IQ解调器7的射频端口RF的输入，所述第一T型偏置器5直接提取的所述待测太赫兹量子级联光频梳2的模式间拍频信号作为IQ解调器7的本振端口LO的输入，所述锁相放大器10用于记录三个信号，分别为第二T型偏置器9直流端口输出信号与所述IQ解调器7的I输出端口和Q输出端口的输出信号。
值得一提的是，本实施方式并不限于采用迈克尔逊干涉仪，还可以采用其他的干涉仪，其只要能够调节干涉臂的长度即可。
本实施方式中所述太赫兹量子级联激光器1后端面2～5mm位置处放有用于阻抗匹配的第一微带线；所述待测太赫兹量子级联光频梳2后端面2～5mm位置处放有用于阻抗匹配的第二微带线。
所述第二微带线通过金线键合与所述待测太赫兹量子级联光频梳2上电极相连，所述第一微带线通过金线键合与所述太赫兹量子级联激光器1上电极相连。
所述待测太赫兹量子级联光频梳2的上电极通过金线键合与陶瓷片相连，所述陶瓷片与所述第一直流源4的正极相连，所述待测太赫兹量子级联光频梳2的下电极与所述第一直流源4负极相连；所述太赫兹量子级联激光器1的上电极通过金线键合与陶瓷片相连，所述陶瓷片与所述第二直流源8的正极相连，所述太赫兹量子级联激光器1的下电极与所述第二直流源8的负极相连。
本实施方式中的太赫兹量子级联激光器在不影响探测性能的情况下，既可以工作在阈值之下，也可以工作在阈值之上，当工作在阈值之上时，可处于单模状态，也可以处于多模状态。
采用上述装置实现太赫兹光频梳的鉴定，具体包括以下步骤：
步骤S1：提供太赫兹量子级联激光器1和待测太赫兹量子级联光频梳2。将太赫兹量子级联激光器1和待测太赫兹量子级联光频梳2分别放置在两个独立的杜瓦中，杜瓦内为真空环境，并由液氦进行制冷，温度控制分别由两个独立的电学温度控制器(图中为示出)完成。在太赫兹量子级联激光器1和待测太赫兹量子级联光频梳2后端2～5mm处放置用于阻抗匹配的第一微带线和第二微带线，第一微带线和第二微带线分别与对应的激光器上电极相连；
步骤S2：提供第一直流源4和第二直流源8。第一直流源4给待测太赫兹量子级联光频梳2供电，使其工作在稳定的多模状态。第二直流源8给太赫兹量子级联激光器1供电，使其工作在稳定的状态。
步骤S3：提供第一离轴抛物面镜13，第二离轴抛物面镜14，迈克尔逊干涉仪3。离轴抛物面镜13用于将待测太赫兹量子级联光频梳2的发散光汇聚成平行光并引至迈克尔逊干涉仪3，离轴抛物面镜14用于将经过迈克尔逊干涉仪3的光汇聚为点光源，使其耦合至太赫兹量子级联激光器1的谐振腔中。
步骤S4：提供第一T型偏置器5，第一放大器6和IQ解调器7。所述T型偏置器有三个端口，分别为交流(AC)与直流(DC)的混合端口，AC端口和DC端口。第一T型偏置器5的混合端口通过高频同轴线与待测太赫兹量子级联激光器2的微带线相连，第一放大器6的输入端口通过高频同轴线与第一T型偏置器5的AC端口相连，输出端口通过高频同轴线与IQ解调器7的本振(LO)端口相连。
步骤S5：提供第二T型偏置器9，第二放大器11，带通滤波器12和锁相放大器10。第二T型偏置器9的混合端口通过高频同轴线与太赫兹量子级联激光器1的微带线相连，其DC端口与锁相放大器10的输入端口相连，AC端口通过高频同轴线与第二放大器11的输入端口相连，第二放大器11的输出端口与带通滤波器12的输入端口相连，带通滤波器12的输出端口与IQ解调器7的射频(RF)端口相连。IQ解调器7的两个输出端口I和Q分别与锁相放大器10的输入端口相连。若锁相放大器10没有3个输入端口，此处也可使用多个锁相放大器记录信号。
步骤S6：以动镜到分束片与定镜到分束片的距离相等的点作为横坐标零点，以某一固定步长改变动镜位置，以动镜到零点的距离作为横坐标值，若设定向某一方向移动横坐标值为正，则向另一方向移动横坐标值为负值。以锁相放大器10测得的数据为纵坐标，由此可得到三组干涉谱的数据，分别设IQ解调器的I输出端口输出的信号为x，Q输出端口输出的信号为y，第二T型偏置器9输出的直流信号为z，分别对其作傅里叶变换，得到X信号，Y信号和Z信号，从而得到X+iY。其中，Z为一般的傅里叶变换光谱，X+iY为包含模式间相位信息的光谱。可以通过两种途径鉴定待测太赫兹量子级联光频梳2是否为光频梳：方式一，直接对比Z与X+iY的谱图，若几乎重合说明模式间距和相位差几乎保持一致，为光频梳，若X+iY中某模式幅值明显小于Z中幅值，说明该模式不满足光频梳的相位信息；二，利用傅里叶变换计算X+iY对应的相位谱，若相位差几乎相同则说明满足光频梳条件，否则不满足。
本方法在传统的傅里叶变换光谱的测量基础上加入了测得的干涉信号与光频梳本身模式间拍频信号的对比，反映在频域上即梳齿间的频率间隔和相位差与一固定频率值和相位差的对比。若二者不相等，说明梳齿间频率间隔和相位差不等，表现为该方法测得光谱与一般傅里叶变换光谱法测得光谱的不重合，同时也表现为相位谱较大的起伏。接下来通过公式说明该方法的可行性：光频梳可以表示为不同模式电场的叠加：其中ω0为光频梳载波偏移频率对应的角频率，ωr为重复频率对应的角频率，/> 为第n个模式的相位。太赫兹量子级联激光器作为探测器测量待测太赫兹量子级联光频梳的模式间拍频，由第二T型偏置器提取测得信号，其中，DC端口输出的是直流信号，对其进行傅里叶变换只能得到一般的强度光谱，而AC端口输出的信号可表示为：(可以看出该信号中含有谐振频率为ωr的项，是直流信号中所不包含的，所以当光频梳梳齿间距不满足该频率时，两种方法得到的光谱不重合)。紧接着将该信号与直接从光频梳提取的模式间拍频信号一同输入IQ解调器，得到I和Q信号经过锁相放大器后分别为：可以发现该结果中包含光频梳相邻模式相位差的项，计算其幅角值便可以算出该相位差/>因此可以直接判断光频梳相邻梳齿之间的相位关系。
不难发现，本发明在一般傅里叶变换光谱的基础上中引入待测太赫兹量子级联光频梳的信号与其自身模式间拍频的对比，使测得信号中包含了相位的对比信息，从而能够表征光频梳梳齿的频率和相位稳定性。采用太赫兹量子级联激光器作为探测器，提供足够的响应带宽和探测灵敏度，使得待测太赫兹量子级联光频梳的模式间拍频能够被测量，保证了该方法在太赫兹波段的可行性。

Claims (9)

1.一种采用太赫兹光学自探测表征光频梳相干光谱的装置，包括太赫兹量子级联激光器、IQ解调器、干涉仪、锁相放大器、拍频信号提取器、第一T型偏置器和第二T型偏置器，其特征在于，所述第一T型偏置器与待测太赫兹量子级联光频梳相连，交流端口与所述IQ解调器的本振端口相连；所述太赫兹量子级联激光器与所述第二T型偏置器相连，所述第二T型偏置器的交流端口通过所述拍频信号提取器与所述IQ解调器的射频端口相连，直流端口与所述锁相放大器的输入端口相连，所述IQ解调器的I端输出口和Q端输出口均与所述锁相放大器相连；所述待测太赫兹量子级联光频梳的出射光经过所述干涉仪后至所述太赫兹量子级联激光器的谐振腔中，所述太赫兹量子级联激光器作为探测器，测得所述待测太赫兹量子级联光频梳的模式间拍频信号以及与所述太赫兹量子级联激光器之间的模式拍频信号，所述拍频信号提取器用于提取所述待测太赫兹量子级联光频梳的模式间拍频信号作为所述IQ解调器的射频端的输入，所述第一T型偏置器直接提取所述待测太赫兹量子级联光频梳的模式间拍频信号作为所述IQ解调器的本振端的输入，所述锁相放大器用于记录所述第二T型偏置器的直流端口的输出信号、所述IQ解调器的I端输出口和Q端输出口的输出信号。
2.根据权利要求1所述的采用太赫兹光学自探测表征光频梳相干光谱的装置，其特征在于，所述第一T型偏置器的交流端口与所述IQ解调器的本振端口之间设置有第一放大器，所述第二T型偏置器的交流端口与所述拍频信号提取器之间设置有第二放大器。
3.根据权利要求1所述的采用太赫兹光学自探测表征光频梳相干光谱的装置，其特征在于，所述待测太赫兹量子级联光频梳的后端面2~5 mm位置处放有用于阻抗匹配的第一微带线；所述太赫兹量子级联激光器的后端面2~5 mm位置处放有用于阻抗匹配的第二微带线。
4.根据权利要求3所述的采用太赫兹光学自探测表征光频梳相干光谱的装置，其特征在于，所述第一微带线通过金线键合与所述待测太赫兹量子级联光频梳的上电极相连，所述第二微带线通过金线键合与所述太赫兹量子级联激光器的上电极相连。
5.根据权利要求1所述的采用太赫兹光学自探测表征光频梳相干光谱的装置，其特征在于，所述待测太赫兹量子级联光频梳的上电极通过金线键合与陶瓷片相连，所述陶瓷片与第一直流源的正极相连，所述待测太赫兹量子级联光频梳的下电极与所述第一直流源负极相连；所述太赫兹量子级联激光器的上电极通过金线键合与陶瓷片相连，所述陶瓷片与第二直流源的正极相连，所述太赫兹量子级联激光器的下电极与所述第二直流源的负极相连。
6.根据权利要求1所述的采用太赫兹光学自探测表征光频梳相干光谱的装置，其特征在于，所述拍频信号提取器为带通滤波器。
7.一种采用太赫兹光学自探测表征光频梳相干光谱的方法，其特征在于，采用如权利要求1-6中任一所述的采用太赫兹光学自探测表征光频梳相干光谱的装置，包括以下步骤：
（1）第一直流源和第二直流源分别给所述待测太赫兹量子级联光频梳与所述太赫兹量子级联激光器供电，使所述待测太赫兹量子级联光频梳与所述太赫兹量子级联激光器处于正常工作状态；
（2）调整所述干涉仪中的两条干涉臂的长度至相等，所述待测太赫兹量子级联光频梳的出射光经过所述干涉仪后耦合至所述太赫兹量子级联激光器的谐振腔内，所述锁相放大器记录所述第二T型偏置器的直流端口的输出信号、所述IQ解调器的I端输出口和Q端输出口的输出信号；
（3）以固定步长调整所述干涉仪中一条干涉臂的长度，实现对实际延迟的调整，每调整一次所述锁相放大器记录一次所述第二T型偏置器的直流端口的输出信号、所述IQ解调器的I端输出口和Q端输出口的输出信号；
（4）以实际延迟为横轴，所述第二T型偏置器的直流端口的输出信号、所述IQ解调器的I端输出口和Q端输出口的输出信号分别为纵轴，得到I信号干涉谱、Q信号干涉谱和直流信号干涉谱，分别对所述I信号干涉谱、Q信号干涉谱和直流信号干涉谱进行傅里叶变换得到X信号、Y信号和Z信号；其中，Z信号作为发射光谱，X+iY作为包含有相位信息的发射光谱；
（5）通过所述X信号、Y信号和Z信号鉴定所述待测太赫兹量子级联光频梳是否为光频梳。
8.根据权利要求7所述的采用太赫兹光学自探测表征光频梳相干光谱的方法，其特征在于，所述步骤（5）具体为：比较所述发射光谱和所述包含有相位信息的发射光谱，若两者能够重合，则表示所述待测太赫兹量子级联光频梳不同模式的频率间隔与相位差恒定。
9.根据权利要求7所述的采用太赫兹光学自探测表征光频梳相干光谱的方法，其特征在于，所述步骤（5）具体为：计算所述包含有相位信息的发射光谱对应的相位谱，若不同模式的相位差保持一致，则表示所述待测太赫兹量子级联光频梳的梳齿之间频率间隔和相位差相等。
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