單模太赫茲半導體激光器高精度調諧特性研究

管玟，李子平，馬旭紅，3，王晨捷，3，萬文堅，曹俊誠，3，黎華，3*

（1.中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所，上海 200050；2.上?？萍即髮W，上海 201210；3.中國科學院大學，北京 100049）

0 引言

頻率范圍處于0.1~10 THz的電磁波被定義為太赫茲波。由于大量物質的“指紋譜”（特征吸收線）處于太赫茲波段［1-2］，所以太赫茲光譜在基礎科學、生物診斷和安防等方面具有獨特的應用優(yōu)勢。

傅里葉變換紅外（Fourier transform infrared，F(xiàn)TIR）光譜儀和時域光譜儀（Time-domain spec‐troscopies，TDS）是現(xiàn)有的兩種常見的可應用于太赫茲波段的商業(yè)光譜測量儀器。這兩種光譜儀各有其優(yōu)勢，F(xiàn)TIR的測量范圍覆蓋可見光到太赫茲波，而TDS在光譜測量方面具有很高的動態(tài)范圍（>40 dB）。但是，無論是FTIR還是TDS都很難實現(xiàn)高精度的光譜測量。大多數的FTIR可以實現(xiàn)的最高精度為GHz量級，并且精度越高，其內部干涉儀的臂長越長，儀器體積越大。同樣地，TDS可實現(xiàn)的精度也僅在GHz量級。相較上述兩種商業(yè)光譜儀，利用雙光梳實現(xiàn)光譜測量具有優(yōu)勢，可以快速獲取數據且無需移動部件。雙光梳由兩個重復頻率有略微差別的光頻梳拍頻產生［3-4］，可以利用其中一個光頻梳的自探測直接測量雙光梳譜，即可在頻譜分析儀上進行觀測［5-6］。盡管如此，利用雙光梳只能實現(xiàn)對光譜的間接測量，因為如果想要根據微波波段的雙光梳譜得到太赫茲光譜，首先需要建立雙光梳譜與用于探測樣品的光頻梳梳齒之間的聯(lián)系。文獻［8］中提出先利用雙光梳測量水汽的吸收譜，再通過與HITRAN數據庫中的結果進行比較，最后判斷出兩個光頻梳的相對位置，可大致推斷出雙光梳梳齒對應的太赫茲頻率。可以看出該方法具有一定的復雜性。為了更簡便地實現(xiàn)光譜測量，研究人員提出了一種利用可調諧單模激光器實現(xiàn)的光譜測量的方法。由于單模激光器只包含一個頻率，該方法可以較為方便地建立微波與太赫茲波之間的聯(lián)系。

太赫茲量子級聯(lián)激光器是一種高輸出功率［7］，寬頻率覆蓋范圍（1.2~5.6 THz）［8-9］，高遠場光斑質量［10］，高工作溫度（250 K）［11］的電泵浦半導體太赫茲源，所以它適合作為光譜測量中所需的可調諧激光源。目前為止，不同的方法被提出以測量單模激光器的調諧特性，如利用FTIR直接測量，但該方法精度較低。本文提出了一種基于太赫茲量子級聯(lián)光頻梳和單模激光器拍頻的高精度調諧測量方法被提出。該方法中使用的兩臺量子級聯(lián)激光器（Quantum Cascade Lasers，QCL）激射中心頻率均為4.2 THz，通過光路將其中一臺QCL的出射光耦合至另一臺QCL的諧振腔中，二者拍頻后得到對應的微波信號。通過測量這些微波拍頻信號，可以得到單模激光器的調諧特性［12］。量子級聯(lián)激光器的載流子弛豫時間為ps量級，可以直接作為探測器測得微波拍頻信號，隨即傳輸至頻譜分析儀用于觀察與分析。頻譜分析儀具有高分辨力，可以實現(xiàn)對單模激光器調諧的高精度測量。

1 實驗原理及裝置

圖1所示的激光器拍頻原理示意圖中，藍色實線表示光頻梳QCL1的梳齒，frep為其重復頻率，紅色虛線表示單模激光器QCL2，二者拍頻會產生不同的微波信號f1，f2，……fn。

圖1 激光器拍頻原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the laser beating system

從圖1可以看出：信號滿足一定的數學關系，即：f1+f2=frep，f1+frep=f3，f2+frep=f4，f3+f4=3frep……，依此類推。同時，當單模激光器QCL2被調諧時，微波信號也會發(fā)生同步的頻移。雖然fn位于不同的頻率，但在理想情況下，它們的頻移速率和范圍原則上是相同的。所以，只要測量其中一根拍頻信號，即可得到單模激光器的調諧特性，即調諧速率和調諧范圍。通過該方法可以聯(lián)想到使用兩個單模激光器拍頻來進行調諧測量，但是，這對單模激光器頻率有很高的要求，二者的頻率差需要在頻譜分析儀的測量范圍內，并且即使拍頻信號在頻譜分析儀的測量范圍內，從一堆雜亂的噪聲中找到該信號也很困難。而利用單模激光器和光頻梳進行拍頻，可以確保在重復頻率范圍內出現(xiàn)兩個拍頻信號，且只要找到一根拍頻信號，即可通過它們之間的數學關系估算出其它信號所在位置，大大降低了調諧測量的難度。

圖2所示為激光器拍頻實驗的裝置圖。QCL1與QCL2的有源區(qū)都基于Al0.25Ga0.75As/GaAs的材料體系，采用束縛態(tài)到連續(xù)態(tài)的躍遷方式產生光子，結合聲子散射實現(xiàn)下能級的粒子數減少［13］。通過分子束外延技術將上述級聯(lián)結構生長在半絕緣的GaAs襯底上，再經過工藝加工，制作出長6 mm，寬150μm的半絕緣表面等離子體波導結構，最后將其封裝在銅制的熱沉上以便散熱與測量。在測量過程中，分別用兩個獨立的電源對QCL1和QCL2進行供電，給QCL1施加較高的電流，使其工作在光頻梳狀態(tài)，同時給QCL2施加較低的電流，使其工作在單模狀態(tài)。QCL1的出射光經過兩個離軸拋物面鏡后聚焦并耦合至QCL2的諧振腔內。QCL2不僅可以與QCL1拍頻，同時還可以對拍頻得到的信號進行自探測［6-8］。利用QCL本身作為探測器，可以代替外部探測器，從而簡化實驗裝置。為了提取微波信號，在離QCL2后端面約1~2 mm的位置安裝了微帶線，其一端通過金線鍵合與QCL2的上電極相連，另一端則通過同軸高頻線與外部電路相連。首先將高頻線與一個T型偏置器相連以隔絕直流，這樣可以更好地傳輸微波信號；然后將信號傳送至一個增益為30 dB的微波放大器，以便于觀察與測量；最終將其傳送至頻譜分析儀（Rohde&Schwarz，F(xiàn)SW26）。

圖2 激光器拍頻實驗裝置圖Fig.2 Experimental setup of the laser beating system

2 實驗結果與討論

為了證實上文中所述的電流對QCL工作狀態(tài)的影響，首先用FTIR（Bruker，Vertex 80v）測量了QCL1和QCL2在不同電流下的發(fā)射光譜。如圖3所示，QCL1的工作電流為988 mA，工作溫度為30 K，可以看出它工作在多模狀態(tài)。而根據課題組以往的工作［9-14］，可以證實這是一種特殊的多模狀態(tài)，即光頻梳狀態(tài)。QCL2的工作電流為690 mA，工作溫度為32 K，可以看出它工作在單模狀態(tài)，并且該單模狀態(tài)可在一定電流范圍內維持。

圖3 QCL1與QCL2的發(fā)射光譜圖Fig.3 Emission spectra of QCL1 and QCL2

將QCL1和QCL2的電流分別設置為988 mA和648 mA，熱沉溫度控制在28.5 K時，利用QCL2測量二者的拍頻信號。實驗中一共測得五根拍頻信號，圖4中展示了其中兩根，f1和f2。為了證明它們是QCL1和QCL2拍頻而得，同時測量并繪出了QCL1的模式間拍頻信號。圖4中標注出了這三個信號所對應的頻率，f1為2.24 GHz，f2為3.91 GHz，QCL1的模式間拍頻信號為6.15 GHz，通過計算可以發(fā)現(xiàn)它們之間的關系滿足前文原理中所提出的f1+f2=frep，可以證明它們的確為QCL1和QCL2之間的拍頻信號。另外，從圖4中還可以發(fā)現(xiàn)，QCL1模式間拍頻是單根信號，這是QCL處于光頻梳狀態(tài)的必要條件；f1和f2周圍沒有邊模，可以間接說明QCL2處于單模狀態(tài)。

圖4 QCL2測得的拍頻信號Fig.4 Beatnote signals measured by QCL2

證明了實驗原理的可行性后，根據該原理對單模激光器QCL2的調諧特性進行測量。將QCL1和QCL2的電流分別設置為988 mA和648 mA，再利用溫度控制器改變QCL2的溫度。前文中提到的，原則上，不同的拍頻信號所反映出的調諧特性應該幾乎相同，故選取f2來記錄其變化。如圖5所示，當溫度下降時f2向頻率低的方向移動，即f2對應的頻率減小。一般來說，當溫度降低時，激光器的頻率會發(fā)生藍移，因此可以推測QCL2的頻率更靠近其左邊的（QCL1的）梳齒。以1 K為步長，測量了從25 K到29 K所對應的f2的頻率，其頻率移動范圍約為212 MHz，可計算出其平均調諧速率為53 MHz/K。需要說明的是，當溫度高于29 K時，由于信號太弱而無法測量，當溫度低于25 K時，f2周圍開始出現(xiàn)邊模，因此更低溫度的情況也未測量。另外，此處的速率為人為所取的平均值，并不代表QCL2隨溫度的調諧速率是線性的。

圖5 QCL2的溫度調諧特性Fig.5 Temperature tuning characteristics of QCL2

圖6記錄的是改變單模激光器QCL2的電流時，f2的頻移情況，即QCL2被電流所調諧時的情況。當QCL2的電流小于680 mA時，f2信號太弱無法與噪聲區(qū)分，而當電流大于700 mA時，f2開始出現(xiàn)邊模，所以按照5 mA為步長，記錄了680 mA到700 mA所對應的f2。上文已推測出QCL2更靠近其左邊的梳齒，電流增大時QCL一般會發(fā)生藍移，所以f2會減小，這與圖6中的現(xiàn)象是一致的，可以證明QCL2更靠近其左邊的梳齒這一推論是正確的。在這段電流范圍內，f2的頻移范圍為51 MHz，即QCL2的頻移范圍為51 MHz，可以計算出QCL2的電流調諧速率約為2.6 MHz/mA。同樣需要說明的是，此處的速率為人為所取的平均值，并不代表QCL2隨電流的調諧速率是線性的。

圖6 QCL2的電流調諧特性Fig.6 Current tuning characteristics of QCL2

需要說明的是，該實驗中的光頻梳和單模激光器均處于自由運行狀態(tài)，二者產生的拍頻信號具有一定的不穩(wěn)定性，在獲取調諧速率結果時進行了平均處理，所以目前無法得知單模激光器隨溫度/電流的調諧是否為線性。如需確認其線性度，可以對光頻梳和單模激光器進行進一步穩(wěn)頻處理。如果單模激光器隨溫度/電流的調諧是線性的，在測量光譜時，可以直接由初始頻率和改變的溫度/電流來獲得實時頻率；如果是非線性的，可以將非線性區(qū)分割為不同的小區(qū)段，每個小區(qū)段中調諧速率可以近似為線性，同時減小溫度/電流的步長，也可以測得對應光譜。但是，后者的測量結果具有一定誤差，若要獲得準確結果，也可以尋找其它線性的調諧方式。

另外，由于實驗中所用的QCL2的每毫安或每開爾文的調諧速率為MHz量級，所以頻譜分析儀采用的分辨力帶寬（Resolution bandwidth，RBW）為1 MHz。而頻譜分析儀的RBW可以達到Hz量級，所以當需要更高的精度來測量其他單模激光器的調諧特性時，該方法也可以適用。該方法的另一個優(yōu)點在于，直接利用QCL的自探測測量拍頻信號，響應速度快，響應帶寬大，且無需在測量裝置中引入另外的探測器，降低了實驗裝置的復雜性。

最后，該拍頻機制在一些實際應用方面展現(xiàn)出了潛在價值。一方面，它可以用來測量窄吸收線的線型。由于下變頻光譜可以使用頻譜分析儀進行實時觀測，可以通過溫度和/或電流調諧激光頻率，然后獲得每個點的功率值，從而得到完整線型。另一方面，它有望應用于太赫茲通信。當QCL1或QCL2輸出的太赫茲波攜帶了特定信號時，會反映在二者的拍頻信號上，利用其中任一QCL可以測得拍頻信號。并且，由于QCL1和QCL2拍頻會產生不同的拍頻信號，原則上可以提供多個不同的傳輸信道。

3 總結

綜上所述，本研究提出了一種可以表征太赫茲單模QCL調諧特性的拍頻方法。在研究過程中，單模QCL和光頻梳QCL拍頻所得信號直接由單模QCL測量而得。該方法不需要外置探測器，也沒有任何移動部件。實驗結果表明，所測單模QCL的溫度和電流調諧速率分別為53 MHz/K和2.6 MHz/mA。相較于FTIR，該方法有兩點優(yōu)勢：測量精度高、獲取數據的速度快。該方法有望實現(xiàn)窄吸收線線型測量和多信道太赫茲通信的應用。