相干聲學聲子脈衝對太赫茲量子級聯雷射器的高速調製

2020-12-03 中國光學工程學會

撰稿人 | 吳函爍

論文題目 | 相干聲學聲子脈衝對太赫茲量子級聯雷射器的高速調製

High-speed modulation of a terahertz quantum cascade laser by coherent acoustic phonon pulses

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

完成單位 | 利茲大學電子電氣工程學院；諾丁漢大學物理與天文學學院

概述

2020年2月，利茲大學電子電氣工程學院John Cunningham教授團隊、Edmund Linfield教授團隊以及諾丁漢大學物理與天文學學院的Anthony Kent教授團隊合作，在國際著名期刊《自然·通訊》發表了題為「相干聲學聲子脈衝對太赫茲量子級聯雷射器的高速調製（High-speed modulation of a terahertz quantum cascade laser by coherent acoustic phonon pulses）」的研究成果。該論文報導了目前太赫茲量子級聯雷射器高速調製工作的最新進展，並有望在高速太赫茲通信、高解析度光譜學研究等領域發揮作用。

研究背景

雷射的快速調製是光通信、高解析度光譜學和計量學應用的基本要求。在太赫茲頻率範圍內，量子級聯雷射器作為一種高功率光源，具有廣泛的應用潛力。對於太赫茲量子級聯雷射器，最常見的調製方法是通過控制偏置電壓進行增益控制。由於太赫茲量子級聯雷射器中雷射躍遷的高能級壽命（皮秒量級）通常比腔往返時間（50 ps）短，因而雷射功率和增益不會表現出弛豫振蕩，原則上可以進行高達100 GHz的直接調製。然而，實際上雷射器的調製帶寬受到電子器件寄生電感和相位匹配等因素的限制，目前最高調製帶寬限制在35 GHz左右，為進一步提高調製頻率，必須尋找其他方法在超短時間尺度對雷射器的增益進行調製。

技術突破

合作團隊利用相干聲學聲子脈衝實現了太赫茲量子級聯雷射器的高速調製，並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雷射器的半絕緣砷化鎵襯底上鍍一層鋁膜用於聲能轉換。然後，使用皮秒級的紅外雷射器轟擊鋁膜，引起鋁膜的膨脹與收縮，進而產生皮秒級聲波。當聲波傳播到量子級聯雷射器有源區時，會引起量子阱內電子的能級改變。

聲波與量子級聯雷射器能帶結構之間的相互作用是複雜的，且聲波會干擾多個子帶，因而直接進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幹擾的功率（從圖1c得出）之間的測量關係進行了定量分析，巧妙地將隱藏的量子現象與單一可觀察參數關聯，進而通過線性微擾近似直接預測太赫茲功率的變化，實現了該調製過程的研究。該團隊最終在實驗中實現了~800 ps的太赫茲調製上升時間（受測量儀器響應時間限制），最大調製深度6%，並從理論上預測通過使用更薄有源區的量子級聯雷射器以及激發更短的聲波，有望實現高達200 GHz的調製速度。

圖1 a通過雷射產生的皮秒聲脈衝來測量太赫茲量子級聯雷射器的光學和電子擾動的實驗裝置。b量子級聯雷射器器件結構示意圖，其中紅色實線和紅色虛線分別表示透射和反射應變脈衝。c無聲脈衝的情況下，量子級聯雷射器的功率-電流-電壓特性曲線。d簡化的量子級聯雷射器能帶結構。

觀點評述

太赫茲量子級聯雷射器作為最具潛力的太赫茲光源之一，在通信、成像和光譜學研究等領域具有重要的應用。目前，用於調製量子級聯雷射器的系統一般是電驅動的，但是提供調製的電子設備限制了調製速度的進一步提升。該工作開創性地通過超快聲學調製控制量子級聯雷射器中的電子狀態和載流子傳輸，並巧妙地將複雜的物理過程簡化為對單個可觀測變量的研究，實現了對太赫茲雷射的高速調製及測量。這項技術中，調製速度由聲波的持續時間（數皮秒）決定，意味著可以實現100 GHz量級的調製速率，有望將當前無線網絡傳輸的速度提升上千倍，為超高速太赫茲通信的實現提供了重要的技術基礎，並有望進一步促進量子級聯雷射器在太赫茲高解析度光譜學、主動鎖模以及光頻梳合成等領域的發展和應用。

團隊介紹

John Cunningham教授，主要研究用於多種系統探測和操控的高頻（兆赫茲至太赫茲）電子和光子技術，尤其著重於半導體納米結構的研究。

Edmund Linfield教授，主要研究太赫茲量子級聯雷射器的生長、製作以及多種太赫茲光源的應用，包括太赫茲成像以及光譜學研究等。

Anthony Kent教授，主要研究III-V族半導體納米結構和器件的基本物理特性，特別是利用電子輸運和光學技術研究電子和空穴與晶格振動的相互作用。

本文出處

發表期刊：

《自然·通訊》（Nature Communications）

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