一种太赫兹量子级联激光器光学拍频信号检测系统及方法与流程

本发明属于半导体光电器件应用技术领域，特别是涉及一种基于太赫兹量子阱探测器的太赫兹量子级联激光器光学拍频信号检测系统及方法。

背景技术：

太赫兹(thz)波是指频率从100ghz到10thz，相应波长从3mm到3um范围内，介于毫米波与红外光之间的电磁波。从物理学看，thz波处于电子学向光子学的过渡区；从频域上看，thz波覆盖半导体以及等离子体的各特征能量、有机和生物大分子等的转动和振动能量、约50％的宇宙空间光子能量等；从应用角度看，thz波的频带宽、测量信噪比高、适合于信息领域的高空间和时间分辨率成像与信号处理、大容量与高保密的数据传输、射电天文探测、大气与环境监测、实时与安全的生物与医学诊断等等。因此，thz波在国民经济及国家安全等方面有重大的应用价值。

thz辐射源是thz频段应用的关键器件，在众多thz辐射产生方式中，基于半导体的全固态thz量子级联激光器(thzqcl)，是一种只有电子参与的单极激光器，电子通过子带间跃迁辐射太赫兹波。作为一种重要的太赫兹波辐射源，thzqcl由于其能量转换效率高、体积小、轻便和易集成等优点，成为本领域的研究热点。

太赫兹量子级联激光器激光模式由有源区材料的增益谱和谐振腔共同决定。最简单的谐振腔是由两个解理的端面形成的fp腔，fp腔太赫兹量子级联激光器往往表现为多纵模。多纵模间相互作用，产生一处于微波频段的拍频信号。多纵模存在于thzqcl腔内和自由空间，腔内纵模相互作用产生电学拍频信号，可以直接从qcl驱动电路中探测。自由空间的激光纵模相互作用产生光学拍频信号，然而，现有技术中还没有一种能有效表征thzqcl光学拍频信号的方法。

鉴于此，有必要提供一种基于太赫兹量子阱探测器的太赫兹量子级联激光器光学拍频信号检测系统及方法用以解决此问题。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于太赫兹量子阱探测器的太赫兹量子级联激光器光学拍频信号检测系统及方法，用于解决现有技术中不能有效表征太赫兹量子级联激光器光学拍频信号的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明一方面提供一种太赫兹量子级联激光器光学拍频信号检测系统，用于获取太赫兹量子级联激光器产生的光学拍频信号的频谱特性，该系统包括：

太赫兹量子阱探测器，用于探测所述太赫兹量子级联激光器发射的太赫兹多模激光以及所述太赫兹多模激光之间相互作用产生的光学拍频信号，并将所述太赫兹多模激光及所述光学拍频信号转化成电信号；

设置在所述太赫兹量子级联激光器与所述太赫兹量子阱探测器之间的离轴抛面镜组，用于汇聚所述太赫兹量子级联激光器产生的太赫兹多模激光并将其引导至所述太赫兹量子阱探测器；

探测器直流源，用于向所述太赫兹量子阱探测器输出直流；

连接在所述探测器直流源与所述太赫兹量子阱探测器之间的t型偏置器，用于将所述探测器直流源输出的直流偏置提供给所述太赫兹量子阱探测器，并耦合出所述太赫兹量子阱探测器检测到的光学拍频信号；

与所述t型偏置器连接的放大器，用于对所述t型偏置器耦合出的光学拍频信号进行放大；以及

与所述放大器连接的高频检测装置，用于获取所述光学拍频信号的频谱特性。

优选地，所述系统中相连的各器件之间采用高频传输线连接。

优选地，，所述太赫兹量子阱探测器采用高速封装方法封装。

优选地，所述高频检测装置为频谱分析仪。

优选地，所述太赫兹量子级联激光器包括：

半绝缘gaas衬底；

位于所述衬底上表面的下接触层；

位于所述下接触层上表面的gaas/algaas多量子阱有源区；

位于所述有源区上表面的上接触层；

位于所述上接触层上表面的上电极金属层；以及

位于部分所述下接触层上表面的下电极金属层。

优选地，所述太赫兹量子阱探测器包括：

半绝缘gaas衬底；

位于所述衬底上表面的下接触层；

位于所述下接触层上表面的gaas/algaas多量子阱；

位于所述多量子阱上表面的上接触层；

位于所述上接触层上表面的上电极金属层；以及

位于部分所述下接触层上表面的下电极金属层。

优选地，所述太赫兹量子级联激光器和所述太赫兹量子阱探测器采用液氦制冷或压缩机制冷。

优选地，所述太赫兹量子级联激光器通过一激光器直流源供电，其中所述激光器直流源为直流电压源或者直流电流源。

优选地，所述的探测器直流源为直流电压源。

优选地，所述太赫兹量子级联激光器的激射频率为1～5thz。

优选地，所述太赫兹量子阱探测器的光谱响应范围覆盖所述太赫兹量子级联激光器的激射谱范围。

优选地，所述太赫兹量子级联激光器的纵模间距为1～20ghz。

优选地，所述光学拍频信号的频率与所述太赫兹量子级联激光器的纵模间距相等。

优选地，所述t型偏置器包括连接在所述太赫兹量子阱探测器与所述探测器直流源之间的电阻、以及连接在所述太赫兹量子阱探测器与所述放大器之间的电容。

本发明另一方面提供一种太赫兹量子级联激光器光学拍频信号检测方法，该方法基于前述太赫兹量子级联激光器光学拍频信号检测系统实现，包括以下步骤：

通过所述探测器直流源输出直流，并通过所述t型偏置器将所述探测器直流源输出的直流偏置提供给所述太赫兹量子阱探测器；

通过所述离轴抛面镜组汇聚所述太赫兹量子级联激光器发射的太赫兹多模激光并将其引导至所述太赫兹量子阱探测器；

通过所述太赫兹量子阱探测器探测所述太赫兹多模激光以及所述太赫兹多模激光相互作用产生的光学拍频信号，并将所述太赫兹多模激光及所述光学拍频信号转化成电信号；

通过所述t型偏置器耦合出所述太赫兹量子阱探测器检测到的光学拍频信号；

通过所述放大器对所述t型偏置器耦合出的光学拍频信号进行放大；以及

通过所述高频检测装置获取所述光学拍频信号的频谱特性。

通过采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：本发明所述系统能够通过太赫兹量子阱探测器直接检测太赫兹量子级联激光器发射的太赫兹多模激光之间的光学拍频信号，并将其转化成高频电信号便于电学分析，从而有效地表征太赫兹多模激光的光学拍频信号频谱特性。

附图说明

图1为本发明太赫兹量子级联激光器光学拍频信号检测系统的结构示意图；

图2为太赫兹量子级联激光器的发射谱以及太赫兹量子阱探测器的响应谱的曲线图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

下面结合图1至图2详细介绍本发明。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，本发明提供一种太赫兹量子级联激光器光学拍频信号检测系统，以检测一太赫兹量子级联激光器11产生的光学拍频信号。在本发明中，太赫兹量子级联激光器11为多模激光器，当其直流偏置高于阈值时，将发射太赫兹多模激光10，多模激光之间相互作用即产生光学拍频信号。

上述检测系统如图1所示，包括：太赫兹量子阱探测器21，用于探测太赫兹量子级联激光器11发射的太赫兹多模激光10以及由太赫兹多模激光10之间相互作用产生的光学拍频信号，并将探测到的太赫兹多模激光10及光学拍频信号转化成相应的电信号，其中太赫兹量子阱探测器21的光谱响应范围应覆盖太赫兹量子级联激光器11的激射谱范围；离轴抛面镜组22，其设置在太赫兹量子级联激光器11与太赫兹量子阱探测器21之间，用于汇聚太赫兹量子级联激光器11产生的太赫兹多模激光10并将其引导至太赫兹量子阱探测器21；探测器直流源23，用于向太赫兹量子阱探测器21输出直流；t型偏置器24，其连接在探测器直流源23与探测器21之间，用于将直流源23提供的直流偏置提供给探测器21，并耦合出探测器21检测到的光学拍频信号；与t型偏置器24连接的放大器25，用于放大t型偏置器24耦合出的光学拍频信号；与放大器25连接的高频检测装置26，用于分析放大器25放大后输出的光学拍频信号的频谱特性。

其中，上述t型偏置器24如图1所示，包括连接在太赫兹量子阱探测器21与探测器直流源23之间的电感l、以及连接在太赫兹量子阱探测器21与放大器25之间的电容c。

在一个优选的实施例中，系统中相连的各元器件之间采用高频传输线连接，且太赫兹量子阱探测器21采用高速封装方法封装，以保证其探测到的高频光学拍频信号能够有效地传输到高频检测装置26。

在另一个优选的实施例中，高频检测装置26为频谱分析仪。

在另一个优选的实施例中，探测器直流源23为直流电压源。

在另一个优选的实施例中，太赫兹量子级联激光器11通过一激光器直流源12供电，该激光器直流源12可以为直流电压源或者直流电流源。

在另一个优选的实施例中，太赫兹量子级联激光器11包括：半绝缘gaas衬底；位于衬底上表面的下接触层；位于下接触层上表面的gaas/algaas多量子阱有源区；位于有源区上表面的上接触层；位于上接触层上表面的上电极金属层；以及位于部分下接触层上表面的下电极金属层。其中，该太赫兹量子级联激光器11采用半绝缘表面等离子体波导工艺制作，有源区采用束缚态向连续态跃迁和共振声子跃迁结合的结构。

需要说明的是，除了上述优选的结构以外，本发明中的太赫兹量子级联激光器11可以采用现有技术中任意一种太赫兹量子级联激光器结构。

在另一个优选的实施例中，太赫兹量子阱探测器21包括：半绝缘gaas衬底；位于衬底上表面的下接触层；位于下接触层上表面的gaas/algaas多量子阱；位于多量子阱上表面的上接触层；位于上接触层上表面的上电极金属层；以及位于部分下接触层上表面的下电极金属层。其中，太赫兹太赫兹量子阱探测器21采用45°斜入射方式探测，其下方衬底研磨并抛光出倾斜45°的斜面。

需要说明的是，除了上述优选的结构以外，本发明中的太赫兹量子阱探测器21可以采用现有技术中任意一种太赫兹量子阱探测器21结构。

在另一个优选的实施例中，太赫兹量子级联激光器11和太赫兹量子阱探测器21采用液氦制冷或压缩机制冷，使激光器11的工作温度约保持在10～15k，使探测器的工作温度约保持在约5k。

在另一个优选的实施例中，太赫兹量子级联激光器11的激射频率为1～5thz，纵模间距为1～20ghz。在图2的具体实施例中，采用的太赫兹量子级联激光器11的波导宽度为150um，其解理长度为6mm，驱动电流为1a时，激光器11产生多模激射，激射频率约从4.1thz到4.3thz，纵模间距约6ghz，如图2所示。

在另一个优选的实施例中，太赫兹量子阱探测器21尺寸约为400×400um²，偏置电压150mv时，其对4～5thz光均有较强的响应，如图2所示。

基于前述的太赫兹量子级联激光器11光学拍频信号检测系统，本发明提供一种太赫兹量子级联激光器11光学拍频信号检测方法，包括以下步骤：

通过探测器直流源23输出直流，并通过t型偏置器24将探测器直流源23输出的直流偏置提供给太赫兹量子阱探测器21；

当太赫兹量子级联激光器11发射太赫兹多模激光10时，通过离轴抛面镜组22汇聚该激光器11发射的太赫兹多模激光10并将其引导至太赫兹量子阱探测器21；

通过太赫兹量子阱探测器21探测太赫兹多模激光10以及太赫兹多模激光10之间相互作用产生的光学拍频信号，并将太赫兹多模激光10及光学拍频信号转化成相应的电信号；

通过t型偏置器24耦合出太赫兹量子阱探测器21检测到的光学拍频信号；

通过放大器25对t型偏置器24耦合出的光学拍频信号进行放大；以及

通过高频检测装置26获取放大器25放大后输出的光学拍频信号的频谱特性，该拍频信号的频率在整个驱动电流下，与测到的激光光谱纵模间距吻合。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。