濱松宣布推出世界上第一個可調(diào)諧頻率范圍為 0.42 至 2 THz 的量子級聯(lián)激光器 (QCL) 模塊。

QCL模塊的外觀

濱松的突破是通過分析控制太赫茲波產(chǎn)生的原理實(shí)現(xiàn)的，該原理提高了 QCL 的輸出功率和高效外腔的配置，同時使用了濱松先進(jìn)的光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)。

這項(xiàng)研究的結(jié)果是產(chǎn)生窄帶太赫茲波，同時僅切換一個 QCL 模塊的頻率。這項(xiàng)技術(shù)將有助于聚合物材料的識別，并提高提高含有可被太赫茲波吸收的藥物成分、食品和半導(dǎo)體材料的質(zhì)量評估和無損檢測，以及高分子聚合物材料的識別等的準(zhǔn)確性。此外，因?yàn)樵趯?shí)現(xiàn)超高速的無線通信中需要利用太赫茲波的特性，模塊也被期待作為創(chuàng)新型的核心器件應(yīng)用在未來超高速無線通信中。

Optica Publishing Group 在科學(xué)期刊 Photonics Research 的電子版中于 2022 年 2 月 22 日發(fā)表了這些研究成果。此研究的一部分受總務(wù)省“戰(zhàn)略信息和通信研究與發(fā)展促進(jìn)項(xiàng)目(SCOPE)”委托（受理號JP195006001）。

研發(fā)背景

由于待測樣品中所含成分各異，對于易于吸收的 太赫茲波的頻率也會有所不同，利用這一特性，此次研究成果有望用于樣品的質(zhì)量評估、無損分析。此外，由于太赫茲波比高速通信標(biāo)準(zhǔn)“5G”所使用的頻段頻率還要高，因此該產(chǎn)品也有望用于下一代“6G”通信。

濱松公司在2018年通過利用獨(dú)有的量子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，采用反交叉雙重高能態(tài)設(shè)計(jì)（AnticrossDAUTM），開發(fā)了太赫茲非線性QCL。此太赫茲非線性QCL可以根據(jù)樣品中所含的成分，改變太赫茲波的頻率并進(jìn)行照射，再根據(jù)吸收率來提高分析精度。然而，目前還沒有一種半導(dǎo)體激光光源可以在一個模塊實(shí)現(xiàn)頻率的變化。因此，濱松一直在研究和開發(fā)可改變頻率的QCL模塊。

研發(fā)成果概要

此次研究中，濱松分析了QCL中太赫茲波的產(chǎn)生原理，并利用多年來積累的晶體生長技術(shù)和半導(dǎo)體工藝技術(shù)優(yōu)化了內(nèi)部結(jié)構(gòu)。此外，濱松還分析了太赫茲波在QCL內(nèi)部傳播的原理，發(fā)現(xiàn)頂面與高阻硅透鏡的連接可以提高太赫茲波的產(chǎn)生效率，將輸出功率提高到以往的5倍以上。結(jié)合濱松公司獨(dú)有的光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)，并給QCL搭配合適的衍射光柵，形成一個高效的外部諧振器，再通過電控制衍射光柵，使傾斜度發(fā)生改變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)世界上首個可在0.42～2 THz范圍內(nèi)產(chǎn)生任意頻率的太赫茲波的QCL模塊。

本次研究結(jié)果表明，待測樣品中根據(jù)其不同成分，吸收頻率不同的情況下，用一個模塊切換頻率并照射窄帶太赫茲波來檢查每種成分的吸收率，可以提高藥物、食品和半導(dǎo)體材料的質(zhì)量評估和無損檢測的準(zhǔn)確性。此外，它還有望應(yīng)用于之前不易識別的塑料等高分子聚合物材料的識別。接下去，濱松也將繼續(xù)深入研究QCL的散熱結(jié)構(gòu)，目標(biāo)實(shí)現(xiàn)THz波穩(wěn)定連續(xù)的工作，期待太赫茲波在觀測宇宙空間的射電天文學(xué)等領(lǐng)域、數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)到每秒幾百千兆的超高速大容量短距離無線通發(fā)展方向上的應(yīng)用。

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