通过光学照射调制量子级联激光器智能模块

通过光学照射调制量子级联激光器

通过光学照射调制量子级联激光器 2011： 由于中红外量子级联激光器具有激光亚带并联以及单极性的特性，因此对其发射波长（光频）进行快速调制并非易事。尽管自加热可以导致波长红移，但由于其热时间常数为微秒量级，因此不能用于高速调制。然而幸运的是，美国斯蒂文斯理工学院（Stevens Institute of Technology）、重庆大学和加拿大国家研究委员会的研究人员利用一束近红外飞秒激光照射中红外波段量子级联激光器的前晶面，从而实现了一种通过光学手段对其进行快速波长调制的方法。[1]这种方法可以实现高达1.67GHz的波长调制频率，从而使得量子级联激光器在环境传感和自由空间光通信应用方面更加具有吸引力。光学调制将一束超快钛蓝宝石激光与量子级联激光器的前晶面法线成30°角入射（并将其聚焦至前晶面上形成20μm大小的光斑），研究人员实现了对一台标准中红外量子级联激光器的波长调制。波长为820nm的钛宝石激光的脉冲持续时间为100fs，重复频率为83.3MHz。从调制的角度讲，100fs的脉冲序列充当了一个频率范围起始值为基频83.3MHz、上至其高次谐波频率约10THz的宽带调制频率源。研究人员使用的量子级联激光器是一台标准的35周期型铟铝砷/铟镓砷（In0.52Al0.48As/In0.53Ga0.47As）法布里-珀罗量子级联激光器，其中心波长为7.6μm，中心区域厚度为2μm，晶面未镀膜，安装在一块铜质热沉上。该量子级联激光器在400mA下工作于连续波模式。研究人员利用一束平均功率为2mW的脉冲钛蓝宝石激光照射中红外量子级联激光器的前晶面，首先实现了重复频率为83.3MHz的幅度调制。接下来，他们把一块锗标准具放置在中红外量子级联激光器两块硒化锌透镜之间的准直光路上，从而将附加的波长调制转化为幅度调制。当标准具被旋转到合适的位置时，它能使幅度调制量提高7倍多，即从1.56mV提高到11.38mV（等效光功率为7.5μW）。由于标准具起到了窄带通滤波器的作用，因此这种调制增强只能是由发射波长展宽或者真正的波长移动引起的。波长移动的证明为了直接证明他们观察到的调制增强是由于波长移动（真正的波长调制）引起的，研究人员改变钛蓝宝石激光的入射功率（分别为0.5mW、1.0mW、1.5mW和2.0mW），并对相应的量子级联激光器的连续谱及其83.3MHz调制谱进行了比较。根据这些数据，研究人员作出了波长偏移量随入射功率水平之间的变化图，结果表明：调制系数与近红外光功率之间具有线性关系。也就是说，尽管被调制光谱的幅值不同，但连续谱的宽度保持恒定，从而证明了他们观察到的调制源自于波长移动，而不是激光发射的展宽。该研究小组将这种波长移动归因于两种可能的机制。其一，由近红外钛宝石激光照射在量子级联激光器中形成的光生自由载流子引起折射率减小，这有效地减小了激光腔的光学长度，并导致了发射波长的蓝移。其二，光生热载流子的热化使得量子级联激光器接近前晶面的部分发射波长变短，从而实现了非常高的调制速度。研究人员对被调制量子级联激光器的测量结果表明调制速率可高达1.67GHz（如图）。

图：利用钛宝蓝石飞秒激光照射一台标准中红外量子级联激光器的前晶面，实现了对该量子级联激光器高达1.67GHz的光学调制。1.2GHz处的凹陷是由热沉温度波动引起的。“通过在电学幅度调制的基础上辅以光学照射来实现直接频率调制的方法，开创了全新的调制可能。”斯蒂文斯理工学院副教授兼实验室主任Rainer Martini表示，“现在我们可以选择数据怎样被传输，并且可以获得像卫星链路那样高质量和可靠的数据传输——这仅仅需要带宽更宽。同时，这种调制技术还可能为相干控制和激光器调谐提供一种全新的方法。”参考文献1. G. Chen et al., Appl. Phys. Lett., 97, 011102 (July 2010).(end)

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