相干聲學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(fā)表了題為“相干聲學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展，并有望在高速太赫茲通信、高分辨率光譜學研究等領域發(fā)揮作用。

  激光的快速調制是光通信、高分辨率光譜學和計量學應用的基本要求。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，最常見的調制方法是通過控制偏置電壓進行增益控制。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，原則上可以進行高達?100 GHz的直接調制。然而，實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，為進一步提高調制頻率，必須尋找其他方法在超短時間尺度對激光器的增益進行調制。

  合作團隊利用相干聲學聲子脈沖實現(xiàn)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，進而產生皮秒級聲波。當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干擾的功率(從圖1c得出)之間的測量關系進行了定量分析，巧妙地將隱藏的量子現(xiàn)象與單一可觀察參數(shù)關聯(lián)，進而通過線性微擾近似直接預測太赫茲功率的變化，實現(xiàn)了該調制過程的研究。該團隊最終在實驗中實現(xiàn)了~800 ps的太赫茲調制上升時間(受測量儀器響應時間限制)，最大調制深度6%，并從理論上預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200 GHz的調制速度。

圖1 a通過激光產生的皮秒聲脈沖來測量太赫茲量子級聯(lián)激光器的光學和電子擾動的實驗裝置；b量子級聯(lián)激光器器件結構示意圖，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、成像和光譜學研究等領域具有重要的應用。目前，用于調制量子級聯(lián)激光器的系統(tǒng)一般是電驅動的，但是提供調制的電子設備限制了調制速度的進一步提升。該工作開創(chuàng)性地通過超快聲學調制控制量子級聯(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制及測量。這項技術中，調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量級的調制速率，有望將當前無線網(wǎng)絡傳輸?shù)乃俣忍嵘锨П?，為超高速太赫茲通信的實現(xiàn)提供了重要的技術基礎，并有望進一步促進量子級聯(lián)激光器在太赫茲高分辨率光譜學、主動鎖模以及光頻梳合成等領域的發(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 | 利茲大學電子電氣工程學院;諾丁漢大學物理與天文學學院