CN115266040A - 一种量子级联激光器调制带宽测试系统及方法 - Google Patents

一种量子级联激光器调制带宽测试系统及方法 Download PDF

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李子平
马旭红
王晨捷
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Abstract

本发明涉及一种量子级联激光器调制带宽测试系统和方法，其中，测试系统包括探测用量子级联激光器、第一T型偏置器、第二T型偏置器、射频源和频谱分析仪；所述待测量子级联激光器与所述探测用量子级联激光器实现光耦合，使得所述待测量子级联激光器的本征频率与所述探测用量子级联激光器的光频梳频率线混频产生拍频信号；所述射频源用于产生调制信号，并以预设频率为间距调整调制频率，使得所述待测量子级联激光器产生调制边带；所述频谱分析仪用于记录所述调制边带与所述光频梳频率线的拍频信号。本发明能够对量子级联激光器调制带宽准确表征。

Description

一种量子级联激光器调制带宽测试系统及方法
技术领域
本发明涉及半导体光电器件应用技术领域，特别是涉及一种量子级联激光器调制带宽测试系统及方法。
背景技术
激光器调制带宽是决定直接调制通信系统速率的关键之一。通常将激光器的弛豫振荡频率作为其3dB调制带宽，当调制频率大于弛豫振荡频率时，激光器的调制响应将急剧下降。弛豫振荡现象产生的根本原因是受激辐射和增益饱和：反转粒子数和光子数密度的相互作用共同决定激光器对泵浦条件的瞬态响应。理论上，可以通过求解含有小信号微扰的速率方程获得激光器的传递函数，进而获得弛豫振荡频率方程，主要包括上能级电子寿命、光子寿命和受激发射寿命三个特征时间参数。传统带间半导体激光器，通过电子空穴复合产生光子，上能级电子寿命长，弛豫振荡方程具有实部解，因此具有弛豫振荡现象。而量子级联激光器是一种基于导带中子带间电子跃迁产生光子的半导体电泵浦激光器。单极性的量子级联激光器的载流子只有电子，通过声子散射趋于稳态，上能级电子寿命非常短，在皮秒量级。通过求解速率方程得到的弛豫振荡频率方程没有实部解，量子级联激光器对外界小信号调制是一种超快的过阻尼过程，没有弛豫振荡现象。因此，如果不考虑寄生效应，量子级联激光器的直接调制带宽高达百GHz。这种高速特性令量子级联激光器在高速高容量通信领域具有巨大的应用潜力。
量子级联激光器调制带宽测试是实现应用的重要前提。目前被广泛采用的是微波整流法，这是一种基于量子级联激光器固有的非线性电流-电压(IV)特性的方法。对量子级联激光器进行不同频率的电流调制，提取偏置电路上的电压变化反应调制响应。显然这是一种间接的电学测量方法，其结果往往受到损耗、阻抗匹配等因素的影响，无法真实反映量子级联激光器的调制响应带宽。光学测量是最直接的方法，如采用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)测量器件的调制边带，但这种方法受限于FTIR的灵敏度和分辨率，尤其是在高频调制下，激光器的边带幅度较小，无法突破FTIR的底噪，从而引起测量误差。高速、高灵敏探测器是光学测试量子级联激光器调制带宽的主要瓶颈。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种量子级联激光器调制带宽测试系统及方法，能够对量子级联激光器调制带宽准确表征。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种量子级联激光器调制带宽测试系统，包括探测用量子级联激光器、第一T型偏置器、第二T型偏置器、射频源和频谱分析仪；所述第一T型偏置器的混合端口与待测量子级联激光器相连、AC端口与所述射频源相连、DC端口与电流源相连；所述第二T型偏置器的混合端口与所述探测用量子级联激光器相连，AC端口与所述频谱分析仪相连、DC端口与电流源相连；所述待测量子级联激光器与所述探测用量子级联激光器实现光耦合，使得所述待测量子级联激光器的本征频率与所述探测用量子级联激光器的光频梳频率线混频产生拍频信号；所述射频源用于产生调制信号，并以预设频率为间距调整调制频率，使得所述待测量子级联激光器产生调制边带；所述频谱分析仪用于记录所述调制边带与所述光频梳频率线的拍频信号。
所述探测用量子级联激光器和所述待测量子级联激光器具有相同的有源区结构。
所述探测用量子级联激光器和所述待测量子级联激光器的增益区间重叠。
所述待测量子级联激光器与所述探测用量子级联激光器通过光学回路实现光耦合，所述光学回路包括第一离轴抛物面镜和第二离轴抛物面镜，所述第一离轴抛物面镜用于收集所述待测量子级联激光器的太赫兹光束，并将发散的所述太赫兹光束转换为平行的太赫兹光束传输到所述第二离轴抛物面镜；所述第二离轴抛物面镜用于收集所述平行的太赫兹光束并汇聚至所述探测用量子级联激光器的谐振腔内。
所述第二T型偏置器的AC端口与所述频谱分析仪之间还设置有低噪声放大器。
所述探测用量子级联激光器通过引线键合、阻抗匹配器、高频同轴线与所述第二T型偏置器的混合端口连接。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种量子级联激光器调制带宽测试方法，包括以下步骤：
将探测用量子级联激光器与待测量子级联激光器进行光耦合；
将第一T型偏置器的混合端口与所述待测量子级联激光器相连、AC端口与射频源相连、DC端口与电源相连，令所述待测量子级联激光器以单模模式工作；
将第二T型偏置器的混合端口与所述探测用量子级联激光器相连、AC端口与频谱分析仪相连，DC端口与电源相连，令所述探测用量子级联激光器以光频梳模式工作；
在所述频谱分析仪上寻找所述待测量子级联激光器与所述探测用量子级联激光器的拍频信号f1并记录；
设置所述射频源输出功率和输出频率；
频谱分析仪在拍频信号f1加所述输出频率附近寻找调制边带与光频梳频率线的拍频信号并记录；
保持所述射频源输出功率不变，增加输出频率，其中，增加值为预设频率，在频谱分析仪寻找调制边带与光频梳频率线的拍频信号并记录，重复该步骤直至调制边带与光频梳频率线的拍频信号无法被所述频谱分析仪测到；
根据所述频谱分析仪记录的调制边带与光频梳频率线的拍频信号，取二分之一最大幅值的频率为所述待测量子级联激光器的调制带宽。
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：本发明采用的方法为光学测试方法，其能够对调制带宽进行直接测试，避免微波整流等间接电学测试潜在的准确性问题。本发明的系统中采用的各个部件都是已经成功商用的微波产品，根据实际需求可灵活选用，可选择的微波产品工作频率不会对整个系统的最低探测频率造成限制，因此能够对待测量子级联激光器的调制带宽进行完全测试。本发明选用与待测量子级联激光器相同的有源区结构的量子级联激光器作为探测器，避免探测器对系统频率的限制，本发明还可以通过调整器件尺寸确保作为探测器的量子级联激光器的探测带宽大于待测量子级联激光器的调制带宽。
附图说明
图1是本发明实施方式的测试原理图；
图2是本发明实施例的结构示意图。
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量子级联激光器调制带宽测试系统，本测试系统基于量子级联激光器的自探测机制。
为了保证待测量子级联激光器的调制边带与作为探测器的量子级联激光器在频域上产生拍频，特采用量子级联激光器光频梳作为探测器，能够提供足够的频谱带宽和较高的频率稳定性，以提高调制带宽测试的分辨率。
当待测量子级联激光器为自由运行(未调制状态)时，待测量子级联激光器的本征频率与光频梳频率线混频，会产生一个拍频信号，该拍频信号由光频梳自探测获得。根据不同的拍频过程会产生不同频率的下转换信号。如单模本征频率与距离最近的光频梳频率线拍频产生下转换信号f1、单模本征频率与距离次近的光频梳频率线拍频产生下转换信号f2(f1+f2＝光频梳的梳齿间距)。
当待测量子级联击激光器被直接调制时，调制频率为fm，会在本征频率两边距离fm处产生两个调制边带，调制边带同时也会与光频梳频率线拍频，因此在f1+fm和f1-fm处、f2+fm和f2-fm处同样会产生下转换频率线。本实施方式就是不断改变调制频率fm，利用频谱分析仪记录边带的下转换信号，如f1+fm，反映待测量子级联激光器的调制带宽。
如图1所示，左侧是待测量子级联激光器(单模，在光波段只有一根频率线)自由运行时与量子级联激光器光频梳(多模，在光波段有一系列等间距分布的频率线，频率线以frep为间距)相互拍频，根据不同拍频过程，在微波波段产生不同的拍频频率，如单模频率线与光频梳第n根梳齿拍频产生f1，单模频率线与光频梳第n+1根梳齿拍频产生f2，并且f1+f2＝frep。右侧是待测量子级联激光器被频率为fm的射频信号调制(在光波段产生两个边带，边带距离单模频率线的距离为fm)后与量子级联激光器光频梳(多模，在光波段有一系列等间距分布的频率线，频率线以frep为间距)相互拍频，调制边带同样也会与光频梳拍频，在微波波段产生不同的拍频频率，如左边调制边带与光频梳第n+1根梳齿拍频产生f2+fm，右边调制边带与光频梳第n+1根梳齿拍频产生f2-fm。本实施方式的测试方法就是检测调制边带与光频梳梳齿拍频的频率，反映量子级联激光器的调制带宽。在图1中，光波段到微波波段的下转换过程由量子级联激光器自探测机制实现。
本实施方式的量子级联激光器调制带宽测试系统至少包括探测用量子级联激光器(以下简称为QCLcomb)、第一T型偏置器、第二T型偏置器、射频源和频谱分析仪。
待测量子级联激光器(以下简称为QCLUT)的调制方式是直接调制，调制信号为一定功率的射频信号。被射频调制的QCLUT会产生两个调制边带，调制边带与本征模式之间的距离就是调制信号的频率。
射频源用于产生调制信号，经第一T型偏置器将调制信号注入到所述QCLUT中。第一T型偏置器的混合端口与QCLUT连接，AC端口与射频源连接，DC端口与电源连接，保证QCLUT的工作偏压。
所述探测用量子级联激光器以光频梳模式工作，即其光谱由等间距分布的模式构成。在这里，本实施方式对量子级联激光器形成光频梳的方法不做限定。QCLUT和QCLcomb的增益区间重叠，即QCLUT的发光光谱被QCLcomb的发光光谱覆盖。QCLUT产生的调制脉冲经过光学回路注入到QCLcomb谐振腔中。QCLcomb与第二T型偏置器的混合端口连接，第二T型偏置器的AC端口与所述频谱分析仪连接，DC端口与电源连接，保证QCLcomb的工作偏压。可选的，本实施方式中QCLcomb集成阻抗匹配元件，以实现低损耗高频信号提取。
为了提高QCLUT与QCLcomb之间耦合效率，QCLUT与QCLcomb耦合时可以使用光学回路，例如由离轴抛物面镜都构成的准直聚焦回路。QCLUT与QCLcomb也可以直接面对面放置形成的直接耦合回路。
为了提高QCLcomb探测到的混频信号功率，可以采用低噪声放大器、滤波器等微波元件对混频信号进行放大、滤波等处理。
下面通过一个具体的实施例进一步说明本发明。
本实施例中QCLUT和QCLcomb基于相同的有源区结构，增益中心频率为4.2THz，其中，QCLUT的波导尺寸为150μm×1.5mm，在自由运行下为单模激射。QCLcomb的波导尺寸为150μm×6mm，得益于量子级联激光器有源区的强非线性，QCLcomb器件在自由运行下由四波混频效应而实现光频梳模式工作。
如图2所示，QCLUT作为待测器件，通过引线键合及高频同轴线与第一T型偏置器的混合端口(AC+DC)连接。第一T型偏置器的DC端口与恒压源连接，对QCLUT施加工作偏压。第一T型偏置器的AC端口经高频同轴线与射频源连接，射频源产生的固定功率的射频信号经第一T型偏置器对QCLUT进行调制。
QCLUT在自由运行下是单模模式工作，其频谱特征是：在频域中只有4.2THz一根频率线。
射频源产生的调制信号对QCLUT进行直接调制，调制信号保持3dBm不变，调制频率以50MHz为间距从0直到20GHz进行扫频。被直接调制的QCLUT的频谱发生变化，其特征是：以4.2THz为中心，在其两边各产生一个调制边带，调制边带距离4.2THz的距离是射频源的调制信号频率。
本实施例中QCLcomb作为探测器，通过引线键合、阻抗匹配器、高频同轴线与第二T型偏置器的混合端口(AC+DC)连接。第二T型偏置器的DC端口与恒压源连接，对QCLcomb施加工作偏压。第二T型偏置器的AC端口与频谱分析仪连接，QCLcomb探测的混频信号由频谱分析仪检测之前，混频信号被一个低噪声放大器放大。
QCLcomb在自由运行下即以光频梳模式工作，其频谱特征是：在4.1THz到4.4THz之间，以6GHz为间距，均匀分布近50个频率线。
本实施例中，QCLcomb与QCLUT通过光学回路实现光耦合，该光学回路由两个离轴抛物面镜构成：第一个离轴抛物面镜收集QCLUT的太赫兹脉冲，将具有一定发散角的太赫兹光转换为平行光，并传送到第二个离轴抛物面镜；第二个离轴抛物面镜将收集的平行太赫兹光汇聚到QCLcomb中。同时为了减小水汽吸收，整个光学回路系统置于充满氮气的氛围中，从而降低太赫兹光传播损耗。
在采用本实施例的量子级联激光器调制带宽测试系统进行测试时，包括以下步骤：
S1，组建由两个离轴抛物面镜构成的准直汇聚光学回路，将QCLUT和QCLcomb的出光端面分别放置在两个离轴抛物面镜的焦点处；
S2，QCLUT连接第一T型偏置器的混合端口，AC端口连接射频源，DC端口连接电源，并施加合适偏压，令QCLUT工作；
S3，QCLcomb连接第二T型偏置器的混合端口，AC端口连接频谱分析仪，DC端口连接电源，并施加合适偏压，令QCLcomb以光频梳模式工作；
S4，在频谱分析仪上寻找QCLUT与QCLcomb拍频信号f1并纪录：
S5，设置射频源输出功率如3dBm，设置输出频率如50MHz；
S6，频谱分析仪在f1+50MHz附近寻找调制边带与光频梳频率线的拍频信号并记录；
S7，保持射频源输出功率不变，增加输出频率50MHz；
S8，在频谱分析仪寻找调制边带与光频梳频率线的拍频信号并记录；
S9，重复步骤S7和S8，直到调制边带与光频梳频率线的拍频信号无法被频谱分析仪测到；
S10，数据处理，根据频谱分析仪记录的调制边带与光频梳频率线的拍频信号，取二分之一最大幅值的频率为QCLUT的3dB调制带宽。
不难发现，本发明采用的方法为光学测试方法，其能够对调制带宽进行直接测试，避免微波整流等间接电学测试潜在的准确性问题。本发明的系统中采用的各个部件都是已经成功商用的微波产品，根据实际需求可灵活选用，可选择的微波产品工作频率不会对整个系统的最低探测频率造成限制，因此能够对待测量子级联激光器的调制带宽进行完全测试。本发明选用与待测量子级联激光器相同的有源区结构的量子级联激光器作为探测器，避免探测器对系统频率的限制，本发明还可以通过调整器件尺寸确保作为探测器的量子级联激光器的探测带宽大于待测量子级联激光器的调制带宽。

Claims (7)

1.一种量子级联激光器调制带宽测试系统，其特征在于，包括探测用量子级联激光器、第一T型偏置器、第二T型偏置器、射频源和频谱分析仪；所述第一T型偏置器的混合端口与待测量子级联激光器相连、AC端口与所述射频源相连、DC端口与电流源相连；所述第二T型偏置器的混合端口与所述探测用量子级联激光器相连，AC端口与所述频谱分析仪相连、DC端口与电流源相连；所述待测量子级联激光器与所述探测用量子级联激光器实现光耦合，使得所述待测量子级联激光器的本征频率与所述探测用量子级联激光器的光频梳频率线混频产生拍频信号；所述射频源用于产生调制信号，并以预设频率为间距调整调制频率，使得所述待测量子级联激光器产生调制边带；所述频谱分析仪用于记录所述调制边带与所述光频梳频率线的拍频信号。
2.根据权利要求1所述的量子级联激光器调制带宽测试系统，其特征在于，所述探测用量子级联激光器和所述待测量子级联激光器具有相同的有源区结构。
3.根据权利要求1所述的量子级联激光器调制带宽测试系统，其特征在于，所述探测用量子级联激光器和所述待测量子级联激光器的增益区间重叠。
4.根据权利要求1所述的量子级联激光器调制带宽测试系统，其特征在于，所述待测量子级联激光器与所述探测用量子级联激光器通过光学回路实现光耦合，所述光学回路包括第一离轴抛物面镜和第二离轴抛物面镜，所述第一离轴抛物面镜用于收集所述待测量子级联激光器的太赫兹光束，并将发散的所述太赫兹光束转换为平行的太赫兹光束传输到所述第二离轴抛物面镜；所述第二离轴抛物面镜用于收集所述平行的太赫兹光束并汇聚至所述探测用量子级联激光器的谐振腔内。
5.根据权利要求1所述的量子级联激光器调制带宽测试系统，其特征在于，所述第二T型偏置器的AC端口与所述频谱分析仪之间还设置有低噪声放大器。
6.根据权利要求1所述的量子级联激光器调制带宽测试系统，其特征在于，所述探测用量子级联激光器通过引线键合、阻抗匹配器、高频同轴线与所述第二T型偏置器的混合端口连接。
7.一种量子级联激光器调制带宽测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
将探测用量子级联激光器与待测量子级联激光器进行光耦合；
将第一T型偏置器的混合端口与所述待测量子级联激光器相连、AC端口与射频源相连、DC端口与电源相连，令所述待测量子级联激光器以单模模式工作；
将第二T型偏置器的混合端口与所述探测用量子级联激光器相连、AC端口与频谱分析仪相连，DC端口与电源相连，令所述探测用量子级联激光器以光频梳模式工作；在所述频谱分析仪上寻找所述待测量子级联激光器与所述探测用量子级联激光器的拍频信号f1并记录；
设置所述射频源输出功率和输出频率；
频谱分析仪在拍频信号f1加所述输出频率附近寻找调制边带与光频梳频率线的拍频信号并记录；
保持所述射频源输出功率不变，增加输出频率，其中，增加值为预设频率，在频谱分析仪寻找调制边带与光频梳频率线的拍频信号并记录，重复该步骤直至调制边带与光频梳频率线的拍频信号无法被所述频谱分析仪测到；
根据所述频谱分析仪记录的调制边带与光频梳频率线的拍频信号，取二分之一最大幅值的频率为所述待测量子级联激光器的调制带宽。
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