2020年2月,利茲大學(xué)電子電氣工程學(xué)院John Cunningham教授團(tuán)隊(duì)、Edmund Linfield教授團(tuán)隊(duì)以及諾丁漢大學(xué)物理與天文學(xué)學(xué)院的Anthony Kent教授團(tuán)隊(duì)合作,在國(guó)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(duì)太赫茲量子級(jí)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(bào)道了目前太赫茲量子級(jí)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(jì)量學(xué)應(yīng)用的基本要求。在太赫茲頻率范圍內(nèi),量子級(jí)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(duì)于太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器,最常見(jiàn)的調(diào)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(jí)聯(lián)激光器中激光躍遷的高能級(jí)壽命(皮秒量級(jí))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(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(shí)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(shí)間尺度對(duì)激光器的增益進(jìn)行調(diào)制。
合作團(tuán)隊(duì)利用相干聲學(xué)聲子脈沖實(shí)現(xiàn)了太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的高速調(diào)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(jí)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(jí)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(jí)聲波。當(dāng)聲波傳播到量子級(jí)聯(lián)激光器有源區(qū)時(shí),會(huì)引起量子阱內(nèi)電子的能級(jí)改變。聲波與量子級(jí)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(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(cè)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(guò)線性微擾近似直接預(yù)測(cè)太赫茲功率的變化,實(shí)現(xiàn)了該調(diào)制過(guò)程的研究。該團(tuán)隊(duì)最終在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了~800 ps的太赫茲調(diào)制上升時(shí)間(受測(cè)量?jī)x器響應(yīng)時(shí)間限制),最大調(diào)制深度6%,并從理論上預(yù)測(cè)通過(guò)使用更薄有源區(qū)的量子級(jí)聯(lián)激光器以及激發(fā)更短的聲波,有望實(shí)現(xiàn)高達(dá)200 GHz的調(diào)制速度。
圖1 a通過(guò)激光產(chǎn)生的皮秒聲脈沖來(lái)測(cè)量太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的光學(xué)和電子擾動(dòng)的實(shí)驗(yàn)裝置;b量子級(jí)聯(lián)激光器器件結(jié)構(gòu)示意圖,其中紅色實(shí)線和紅色虛線分別表示透射和反射應(yīng)變脈沖;c無(wú)聲脈沖的情況下,量子級(jí)聯(lián)激光器的功率-電流-電壓特性曲線;d簡(jiǎn)化的量子級(jí)聯(lián)激光器能帶結(jié)構(gòu)。
太赫茲量子級(jí)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(jí)聯(lián)激光器的系統(tǒng)一般是電驅(qū)動(dòng)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(kāi)創(chuàng)性地通過(guò)超快聲學(xué)調(diào)制控制量子級(jí)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(guò)程簡(jiǎn)化為對(duì)單個(gè)可觀測(cè)變量的研究,實(shí)現(xiàn)了對(duì)太赫茲激光的高速調(diào)制及測(cè)量。這項(xiàng)技術(shù)中,調(diào)制速度由聲波的持續(xù)時(shí)間(數(shù)皮秒)決定,意味著可以實(shí)現(xiàn)100 GHz量級(jí)的調(diào)制速率,有望將當(dāng)前無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俣忍嵘锨П叮瑸槌咚偬掌澩ㄐ诺膶?shí)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(jí)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(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