相干聲學(xué)聲子脈沖對太赫茲量子級聯(lián)激光器的高速調制

  2020年2月，利茲大學(xué)電子電氣工程學(xué)院John Cunningham教授團隊、Edmund Linfield教授團隊以及諾丁漢大學(xué)物理與天文學(xué)學(xué)院的Anthony Kent教授團隊合作，在國際著(zhù)名期刊《自然·通訊》發(fā)表了題為“相干聲學(xué)聲子脈沖對太赫茲量子級聯(lián)激光器的高速調制(High-speed modulation of a terahertz quantum cascade laser by coherent acoustic phonon pulses)”的研究成果。該論文報道了目前太赫茲量子級聯(lián)激光器高速調制工作的最新進(jìn)展，并有望在高速太赫茲通信、高分辨率光譜學(xué)研究等領(lǐng)域發(fā)揮作用。

  激光的快速調制是光通信、高分辨率光譜學(xué)和計量學(xué)應用的基本要求。在太赫茲頻率范圍內，量子級聯(lián)激光器作為一種高功率光源，具有廣泛的應用潛力。對于太赫茲量子級聯(lián)激光器，最常見(jiàn)的調制方法是通過(guò)控制偏置電壓進(jìn)行增益控制。由于太赫茲量子級聯(lián)激光器中激光躍遷的高能級壽命(皮秒量級)通常比腔往返時(shí)間(?50 ps)短，因而激光功率和增益不會(huì )表現出弛豫振蕩，原則上可以進(jìn)行高達?100 GHz的直接調制。然而，實(shí)際上激光器的調制帶寬受到電子器件寄生電感和相位匹配等因素的限制，目前最高調制帶寬限制在35 GHz左右，為進(jìn)一步提高調制頻率，必須尋找其他方法在超短時(shí)間尺度對激光器的增益進(jìn)行調制。

  合作團隊利用相干聲學(xué)聲子脈沖實(shí)現了太赫茲量子級聯(lián)激光器的高速調制，并使用微擾理論解釋了這一過(guò)程，研究裝置如圖1a所示。研究人員首先在量子級聯(lián)激光器的半絕緣砷化鎵襯底上鍍一層鋁膜用于聲能轉換。然后，使用皮秒級的紅外激光器轟擊鋁膜，引起鋁膜的膨脹與收縮，進(jìn)而產(chǎn)生皮秒級聲波。當聲波傳播到量子級聯(lián)激光器有源區時(shí)，會(huì )引起量子阱內電子的能級改變。聲波與量子級聯(lián)激光器能帶結構之間的相互作用是復雜的，且聲波會(huì )干擾多個(gè)子帶，因而直接進(jìn)行量子層面的分析非常困難。研究人員通過(guò)偏置電壓和不受干擾的功率(從圖1c得出)之間的測量關(guān)系進(jìn)行了定量分析，巧妙地將隱藏的量子現象與單一可觀(guān)察參數關(guān)聯(lián)，進(jìn)而通過(guò)線(xiàn)性微擾近似直接預測太赫茲功率的變化，實(shí)現了該調制過(guò)程的研究。該團隊最終在實(shí)驗中實(shí)現了~800 ps的太赫茲調制上升時(shí)間(受測量?jì)x器響應時(shí)間限制)，最大調制深度6%，并從理論上預測通過(guò)使用更薄有源區的量子級聯(lián)激光器以及激發(fā)更短的聲波，有望實(shí)現高達200 GHz的調制速度。

圖1 a通過(guò)激光產(chǎn)生的皮秒聲脈沖來(lái)測量太赫茲量子級聯(lián)激光器的光學(xué)和電子擾動(dòng)的實(shí)驗裝置；b量子級聯(lián)激光器器件結構示意圖，其中紅色實(shí)線(xiàn)和紅色虛線(xiàn)分別表示透射和反射應變脈沖；c無(wú)聲脈沖的情況下，量子級聯(lián)激光器的功率-電流-電壓特性曲線(xiàn)；d簡(jiǎn)化的量子級聯(lián)激光器能帶結構。

  太赫茲量子級聯(lián)激光器作為最具潛力的太赫茲光源之一，在通信、成像和光譜學(xué)研究等領(lǐng)域具有重要的應用。目前，用于調制量子級聯(lián)激光器的系統一般是電驅動(dòng)的，但是提供調制的電子設備限制了調制速度的進(jìn)一步提升。該工作開(kāi)創(chuàng )性地通過(guò)超快聲學(xué)調制控制量子級聯(lián)激光器中的電子狀態(tài)和載流子傳輸，并巧妙地將復雜的物理過(guò)程簡(jiǎn)化為對單個(gè)可觀(guān)測變量的研究，實(shí)現了對太赫茲激光的高速調制及測量。這項技術(shù)中，調制速度由聲波的持續時(shí)間(數皮秒)決定，意味著(zhù)可以實(shí)現100 GHz量級的調制速率，有望將當前無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸的速度提升上千倍，為超高速太赫茲通信的實(shí)現提供了重要的技術(shù)基礎，并有望進(jìn)一步促進(jìn)量子級聯(lián)激光器在太赫茲高分辨率光譜學(xué)、主動(dòng)鎖模以及光頻梳合成等領(lǐng)域的發(fā)展和應用。

  撰稿人 | 吳函爍

  作者 | Aniela Dunn, Edmund Linfield, John Cunningham & Anthony Kent

  完成單位 | 利茲大學(xué)電子電氣工程學(xué)院;諾丁漢大學(xué)物理與天文學(xué)學(xué)院