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(diào)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(diào)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(diào)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(diào)制是光通信、高分辨率光譜學(xué)和計量學(xué)應(yīng)用的基本要求。在太赫茲頻率范圍內(nèi)，量子級聯(lián)激光器作為一種高功率光源，具有廣泛的應(yīng)用潛力。對于太赫茲量子級聯(lián)激光器，最常見的調(diào)制方法是通過控制偏置電壓進(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)通常比腔往返時間(?50 ps)短，因而激光功率和增益不會表現(xiàn)出弛豫振蕩，原則上可以進(jìn)行高達(dá)?100 GHz的直接調(diào)制。然而，實際上激光器的調(diào)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(diào)制帶寬限制在35 GHz左右，為進(jìn)一步提高調(diào)制頻率，必須尋找其他方法在超短時間尺度對激光器的增益進(jìn)行調(diào)制。

  合作團隊利用相干聲學(xué)聲子脈沖實現(xiàn)了太赫茲量子級聯(lián)激光器的高速調(diào)制，并使用微擾理論解釋了這一過程，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(zhuǎn)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(dāng)聲波傳播到量子級聯(lián)激光器有源區(qū)時，會引起量子阱內(nèi)電子的能級改變。聲波與量子級聯(lián)激光器能帶結(jié)構(gòu)之間的相互作用是復(fù)雜的，且聲波會干擾多個子帶，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(xiàn)象與單一可觀察參數(shù)關(guān)聯(lián)，進(jìn)而通過線性微擾近似直接預(yù)測太赫茲功率的變化，實現(xiàn)了該調(diào)制過程的研究。該團隊最終在實驗中實現(xiàn)了~800 ps的太赫茲調(diào)制上升時間(受測量儀器響應(yīng)時間限制)，最大調(diào)制深度6%，并從理論上預(yù)測通過使用更薄有源區(qū)的量子級聯(lián)激光器以及激發(fā)更短的聲波，有望實現(xiàn)高達(dá)200 GHz的調(diào)制速度。

圖1 a通過激光產(chǎn)生的皮秒聲脈沖來測量太赫茲量子級聯(lián)激光器的光學(xué)和電子擾動的實驗裝置；b量子級聯(lián)激光器器件結(jié)構(gòu)示意圖，其中紅色實線和紅色虛線分別表示透射和反射應(yīng)變脈沖；c無聲脈沖的情況下，量子級聯(lián)激光器的功率-電流-電壓特性曲線；d簡化的量子級聯(lián)激光器能帶結(jié)構(gòu)。

  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(yīng)用。目前，用于調(diào)制量子級聯(lián)激光器的系統(tǒng)一般是電驅(qū)動的，但是提供調(diào)制的電子設(shè)備限制了調(diào)制速度的進(jìn)一步提升。該工作開創(chuàng)性地通過超快聲學(xué)調(diào)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(fù)雜的物理過程簡化為對單個可觀測變量的研究，實現(xiàn)了對太赫茲激光的高速調(diào)制及測量。這項技術(shù)中，調(diào)制速度由聲波的持續(xù)時間(數(shù)皮秒)決定，意味著可以實現(xiàn)100 GHz量級的調(diào)制速率，有望將當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俣忍嵘锨П?，為超高速太赫茲通信的實現(xiàn)提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)，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)、主動鎖模以及光頻梳合成等領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)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