太赫兹量子级联激光器光频梳射频传输
0 引言
太赫兹(Terahertz,THz)波是指介于毫米波与红外光之间,频率范围为100 GHz~10 THz、波长范围为3 mm~30 μm的电磁波,在医疗诊断、光谱成像、天线通信等领域具有广阔的发展前景。THz量子级联激光器(Quantum Cascade Laser,QCL)是一种半导体电泵浦辐射源,具有高功率、低成本、易集成等优点,是1~5 THz频率范围内最高效的THz辐射源之一。THz QCL作为一种全固态、电泵浦的半导体器件,是实现THz光频梳的理想载体[1-2]。
光频梳是指频域分布表现为一系列高度稳定且等间距分布的频率线,在时域上表现为严格的周期性包络函数曲线[3-4]。光频梳的每条频率线都可以用载波包络偏移频率fceo和n倍的重复频率frep严格唯一地表征。THz QCL产生的光频梳由于具有高稳定性、高精度、高输出功率等优点,可应用于绝对校准、分子指纹识别等领域。但一般由于产生机制及工艺限制,THz QCL光频梳不能完全发挥优势,常用主动调制、被动调制、群速度色散调控等方法提高性能,其中射频注入是主动调制的常用手段[5]。射频注入调制可以提高激光器的频率稳定性和模式相干性,对于激光器携带信息、光通信应用等方面具有极其重要的意义。
目前对于激光器光频梳射频注入调制技术的研究主要聚焦在QCL器件结构及工艺的优化研究、提高注入射频功率以增加光频梳光谱梳齿、提高频率稳定性等方面。BARBIERI S等基于工作在2.8 THz的双面金属波导结构的QCL,通过上转移技术将频率梳搬移到1.57 μm,并注入20 dBm射频功率达到最多12根光频梳[6]。GELLIE P等使用射频源直接调制偏置电流,实现对往返频率高达35 GHz的两种波导结构的锁定,锁定范围达到200 MHz以上[7]。GU L等对3 THz范围的THz QCL进行不同频率和射频功率注入,观察到激光在15.5 GHz往返频率处调制,且不同注入射频频率及功率条件下,拍频信号出现单模向多模的演变[8]。WAN W等设计出6 mm长腔结构的THz QCL,测量得到激光器拍频信号中心频率约为6.2 GHz,注入900 mA以上电流的情况下,拍频信号表现为稳定的单模信号,调整输入驱动电流,QCL发射谱均匀展宽,且提高了幅度的稳定性[9]。LI Z等提出一种双截面耦合腔几何结构的THz QCL,这种创新型结构降低了短腔截面的器件电容,提高了射频调制效率,短腔注入射频信号条件下,激光在二次谐波处调制,产生的边带频率间隔与被注入的射频信号频率相同,为THz QCL主动锁模提供了新的方法[10]。现有研究仅采用针对器件结构本身及注入射频信号进行调控两种方式进行性能优化,忽略了QCL结构射频注入相关的阻抗匹配问题。因此设计射频传输超宽带阻抗匹配单元在改善THz QCL光频梳的射频传输、最优化QCL系统性能等方面是十分必要的。
本文针对THz QCL光频梳射频传输阻抗不匹配问题探讨了一种渐变微带线结构的设计与优化方法,并利用等效电路模型对设计结构物理机理进行解释,实验中将渐变微带线应用于THz QCL光频梳射频信号提取测试,以验证设计结构的可行性。
1 器件结构与模拟
1.1 材料结构与参量优化
根据实验室经验得到,常用的射频传输线特征阻抗为50 Ω,而采用的激光器端口特征阻抗则为20 Ω[8]。激光器光频梳的稳定相互作用在射频频段表现为单模拍频信号,其中心频率为6.2 GHz。考虑成本及实验室常用要求,从传统的微带线结构出发进行设计,微带线结构包括上层金属结构,中间介质层及底层接地金属板。确定微带线材料为传输性能优异的金(Au),其厚度固定为1 μm,介质衬底材料为氮化铝(AlN),其介电常数εr=8.8 F/m,从微带线设计角度考虑,已知微带线特性阻抗Z0,等效介电常数为εeff,特性阻抗与等效介电常数可表征为
式中,w0为微带线端面宽度,h为微带线介质衬底厚度,微带线的特性阻抗是端面宽度w0、衬底厚度及介电常数的函数,从而可以确定设计时需要考虑的参量[11]。此外,由于器件结构设计在实际集成化应用中受到尺寸限制,微带线长度l不可能完全等于1/4λ,l一定程度上决定微带线的端面相位关系,因此对于微带线结构性能也有一定影响。考虑多节阻抗变换器,其分立节数为无限多节时,可最终视为渐变阻抗微带线,根据理论公式得到与性能相关的参数进行电磁仿真设计。
采用有限元法对渐变微带线结构进行电磁仿真,同时增大剖分网格提高仿真精度。设计的渐变微带线结构如
表 1. 参数优化过程
Table 1. Parameter optimization process
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1.2 器件工艺及场分布
工艺加工层面,Au材料与介质层不能很好地贴附,因此工艺上需考虑镀层。采用钛(Ti)镀层加工工艺及铜(Cu)金属外镀Au两种工艺方式,分别得到的电磁仿真结果如
图 3. 用Ti镀层加工工艺及Cu金属外镀Au加工工艺方式得到的S参数与原有仿真得到的S参数的结果比较
Fig. 3. The S parameter obtained by processing technology of Ti coating and Au plating on Cu metal were compared with the simulated S parameter
为了进一步分析物理机理,对器件结构电场进行仿真[12],得到的电场分布如
1.3 等效电路模型
根据电场分布进一步考虑,已知微带线工作模式为准TEM模。从电场角度分析,电场完全束缚在微带线表面,在横向上形成强耦合,这种强耦合可以等效为一个电容C1。从电流角度分析,电流在微带线中的分布可引入电感L1,最终电路结构可等效为LC并联谐振电路。如
图 5. 等效电路模型及等效电路与仿真模型的S参数对比
Fig. 5. Equivalent circuit model and comparison of S parameters between equivalent circuit and simulation model
2 实验方法与结果
仿真得到设计的渐变阻抗微带线经过S参数及场路表征都表现出很好的传输效果。为了验证仿真结果的可靠性,展示对THz QCL-渐变微带线封装结构的实验结果,进一步反映渐变微带线的射频传输性能。采用的THz QCL是基于3.9 THz的单面等离子体波导结构[13],这种波导结构具有远场光斑质量好,波导损耗小的优点。该THz QCL器件尺寸长6 mm,宽150 μm。实验过程中整个实验装置工作在液氦低温系统中,以避免振动噪声的梳子操作,同时整个系统工作在真空干燥条件下,以保证THz QCL良好的性能效果。
图 6. QCL在连续波模式下的光电流-电压特性
Fig. 6. Measured light-current-voltage characteristics in continuous wave mode of the QCL
将THz QCL与渐变微带线封装加工,并通过测量拍频信号研究渐变微带线传输射频信号的性能。
根据测量结果可知在散热温度为20 K条件下THz QCL工作性能最好,因此后续实验都在散热温度保持在20 K条件下进行。首先实验测得拍频信号在不同电流条件下的动态变化(mapping)对拍频信号进行表征[17],其中分辨率带宽(Resolution Bandwidth,RBW)及视频带宽(Video Bandwidth,VBW)是需要关注的设定值。RBW是两个不同频率信号能够被清楚分辨出来的最低频宽差异,选取适当的RBW不仅有助于信号的测量,也可以避免失真。VBW表示频谱仪的显示带宽,在要求观测信号更精细时一般需要减少VBW,动态变化测试保持RBW为100 kHz,VBW为10 kHz。
图 8. 用100 kHz的RBW、10 kHz的VBW测量的拍频信号映射及电流为790 mA、温度为20 K条件下的稳定拍频信号
Fig. 8. Intermode beat note mapping of laser measured with RBW of 100 kHz and VRW of 10 kHz and stable beat note of current at 790 mA and temperature at 20K
为了进一步评估测得拍频信号的稳定性,验证渐变阻抗微带线在传输激光器拍频信号的优势,对拍频信号进行了一系列稳定性测试[18]。通过频谱仪对拍频信号进行了最大保持(Max-hold)测量,最大保持测量是通过测量一段时间内信号频移变化情况表现信号的稳定性,拍频信号在不稳定条件下会出现在一段频段之间摆动的情况,频移变化越小,则表明信号越稳定。如
3 结论
结合理论和设计得到了阻抗变换的渐变微带线,利用电场和电路仿真分别对渐变微带线进行了验证和物理机理的阐述,并利用实验深入研究了渐变微带线的阻抗变换对THz QCL光频梳重复频率的影响,以验证渐变微带线的作用。根据理论及仿真结果可知,设计得到的渐变阻抗微带线符合用于THz QCL与射频传输线之间的阻抗过渡要求,能够保持良好的传输特性。实验结果表明,运用渐变阻抗微带线测得的THz QCL光频梳的拍频信号,不仅能够提高信号的信噪比,增强拍频信号强度,同时也提高了拍频信号的稳定性。渐变阻抗微带线可以有效传输拍频信号,反映THz QCL激光器光频梳的梳状结构,设计的渐变微带线可对THz QCL光频梳的射频传输研究发挥作用。本工作可为后续的THz QCL光频梳及双光梳的射频调制及锁模的研究提供理论和实验依据。
[1] NAASUMA T, DUCOURNAU G, RNAUDC. Advances in terahertz communications accelerated by photonics[J]. Nature Photonics, 2016, 10(6): 371-379.
[2] ABRAMOV P I, BUDARIN A S, KUZNETSOV E V, et al. Quantum-cascade lasers in atmospheric optical communication lines: challenges and prospects (review)[J]. Journal of Applied Spectroscopy, 2020, 87(4): 579-600.
[3] UDEM T. Optical frequency metrology[J]. Nature, 2016, 416(6877): 233-237.
[4] 廖小瑜, 曹俊诚, 黎华. 太赫兹半导体激光光频梳研究进展[J]. 物理学报, 2020, 69(18): 189501.
LIAO Xiaoyu, CAO Juncheng, LI Hua. Research progress of terahertz semiconductor optical frequency combs[J]. Acta Physica Sinica, 2020, 69(18): 189501.
[5] LEE S H, KANG J M, CHOI I H, et al. Linearization of DFB laser diode by external light-injected cross-gain modulation for radio-over-fiber link[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2006, 18(14): 1545-1547.
[6] BARBIERI S, MAINEULT W, DHILLON S S, et al. 13 GHz direct modulation of terahertz quantum cascade lasers[J]. Applied Physics Letters, 2007, 91(14): 143510.
[7] GELLIE P, BARBIERI S, LAMPIN J F, et al. Injection-locking of terahertz quantum cascade lasers up to 35 GHz via RF amplitude modulation[J]. Optics Express, 2010, 18(20): 20799-20816.
[8] GU L, WAN W, ZHU Y, et al. High frequency modulation and injection locking of terahertz quantum cascade lasers[J]. Journal of Optics, 2017, 19(6): 065706.
[9] WAN W, LI H, ZHOU T, et al. Homogeneous spectral spanning of terahertz semiconductor lasers with radio frequency modulation[J]. Scientific Reports, 2017, 7: 44109.
[10] LI Z, LI H. Sideband generation of coupled-cavity terahertz semiconductor lasers under active radio frequency modulation[J]. Optics Express, 2018, 26(25): 32675-32690.
[11] DAVIDM. 微波工程. 张肇仪,周乐柱,吴德明, 译[M]. 北京: 电子工业出版社, 2006.
DAVIDM. Microwave engineering. ZHANG Zhaoyi, ZHOU Lezhu, WU Deming, transl[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2006.
[12] LI T, LI D, QIN P, et al. A novel miniaturized strong-coupled FSS structure with excellent angular stability[J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2020, 69(12): 8470-8478.
[13] 黎华, 周康, 曹俊诚. 有源区结构及具有宽带增益的太赫兹量子级联激光器: CN108336643A[P]. 2018.
LIHua, ZHOUKang, CAOJuncheng. A terahertz quantum cascade laser with active region structure and wide band gain: CN108336643A[P]. 2018.
[14] GUAN W, LI Z, ZHOU K, et al. Repetition frequency locking of a terahertz quantum cascade laser emitting at 4.2 THz[J]. Terahertz Science and Technology, 2020, 13(1): 32-40.
[15] WANG C, LI Z, LIAO X, et al. Improved comb and dual-comb operation of terahertz quantum cascade lasers utilizing a symmetric thermal dissipation[J]. Optics Express, 2021, 29(18): 433938.
[16] ZHAO Y, LI Z, ZHOU K, et al. Active stabilization of terahertz semiconductor dual-comb laser sources employing a phase locking technique[J]. Laser Photonics Reviews, 2021, 15: 200498.
[17] LI H, LI Z, WAN W, et al. Toward compact and real-time terahertz dual-comb spectroscopy employing a self-detection scheme[J]. ACS Photonics, 2020, 7(1): 49-56.
[18] ZHOU K, LI H, WAN W J, et al. ridge width effect on comb operation of terahertz quantum cascade lasers[J]. Applied Physics Letters, 2019, 114(19): 191106.
刘涵, 李子平, 马旭红, 吴澍民, 廖小瑜, 管玟, 周康, 赵逸然, 曹俊诚, 黎华. 太赫兹量子级联激光器光频梳射频传输[J]. 光子学报, 2023, 52(1): 0114002. Han LIU, Ziping LI, Xuhong MA, Shumin WU, Xiaoyu LIAO, Wen GUAN, Kang ZHOU, Yiran ZHAO, Juncheng CAO, Hua LI. Radio Frequency Transmission in Terahertz Quantum Cascade Laser Frequency Combs[J]. ACTA PHOTONICA SINICA, 2023, 52(1): 0114002.