Gail Overton

由于中紅外量子級聯(lián)激光器具有激光亞帶并聯(lián)以及單極性的特性，因此對其發(fā)射波長（光頻）進(jìn)行快速調(diào)制并非易事。盡管自加熱可以導(dǎo)致波長紅移，但由于其熱時間常數(shù)為微秒量級，因此不能用于高速調(diào)制。然而幸運的是，美國斯蒂文斯理工學(xué)院（Stevens Institute of Technology）、重慶大學(xué)和加拿大國家研究委員會的研究人員利用一束近紅外飛秒激光照射中紅外波段量子級聯(lián)激光器的前晶面，從而實現(xiàn)了一種通過光學(xué)手段對其進(jìn)行快速波長調(diào)制的方法。^[1]這種方法可以實現(xiàn)高達(dá)1.67GHz的波長調(diào)制頻率，從而使得量子級聯(lián)激光器在環(huán)境傳感和自由空間光通信應(yīng)用方面更加具有吸引力。

光學(xué)調(diào)制

將一束超快鈦藍(lán)寶石激光與量子級聯(lián)激光器的前晶面法線成30°角入射（并將其聚焦至前晶面上形成20μm大小的光斑），研究人員實現(xiàn)了對一臺標(biāo)準(zhǔn)中紅外量子級聯(lián)激光器的波長調(diào)制。波長為820nm的鈦寶石激光的脈沖持續(xù)時間為100fs，重復(fù)頻率為83.3MHz。從調(diào)制的角度講，100fs的脈沖序列充當(dāng)了一個頻率范圍起始值為基頻83.3MHz、上至其高次諧波頻率約10THz的寬帶調(diào)制頻率源。

研究人員使用的量子級聯(lián)激光器是一臺標(biāo)準(zhǔn)的35周期型銦鋁砷/銦鎵砷（In_0.52Al_0.48As/In_0.53Ga_0.47As）法布里-珀羅量子級聯(lián)激光器，其中心波長為7.6μm，中心區(qū)域厚度為2μm，晶面未鍍膜，安裝在一塊銅質(zhì)熱沉上。該量子級聯(lián)激光器在400mA下工作于連續(xù)波模式。

研究人員利用一束平均功率為2mW的脈沖鈦藍(lán)寶石激光照射中紅外量子級聯(lián)激光器的前晶面，首先實現(xiàn)了重復(fù)頻率為83.3MHz的幅度調(diào)制。接下來，他們把一塊鍺標(biāo)準(zhǔn)具放置在中紅外量子級聯(lián)激光器兩塊硒化鋅透鏡之間的準(zhǔn)直光路上，從而將附加的波長調(diào)制轉(zhuǎn)化為幅度調(diào)制。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)具被旋轉(zhuǎn)到合適的位置時，它能使幅度調(diào)制量提高7倍多，即從1.56mV提高到11.38mV（等效光功率為7.5μW）。由于標(biāo)準(zhǔn)具起到了窄帶通濾波器的作用，因此這種調(diào)制增強只能是由發(fā)射波長展寬或者真正的波長移動引起的。

波長移動的證明

為了直接證明他們觀察到的調(diào)制增強是由于波長移動（真正的波長調(diào)制）引起的，研究人員改變鈦藍(lán)寶石激光的入射功率（分別為0.5mW、1.0mW、1.5mW和2.0mW），并對相應(yīng)的量子級聯(lián)激光器的連續(xù)譜及其83.3MHz調(diào)制譜進(jìn)行了比較。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，研究人員作出了波長偏移量隨入射功率水平之間的變化圖，結(jié)果表明：調(diào)制系數(shù)與近紅外光功率之間具有線性關(guān)系。也就是說，盡管被調(diào)制光譜的幅值不同，但連續(xù)譜的寬度保持恒定，從而證明了他們觀察到的調(diào)制源自于波長移動，而不是激光發(fā)射的展寬。

該研究小組將這種波長移動歸因于兩種可能的機制。其一，由近紅外鈦寶石激光照射在量子級聯(lián)激光器中形成的光生自由載流子引起折射率減小，這有效地減小了激光腔的光學(xué)長度，并導(dǎo)致了發(fā)射波長的藍(lán)移。其二，光生熱載流子的熱化使得量子級聯(lián)激光器接近前晶面的部分發(fā)射波長變短，從而實現(xiàn)了非常高的調(diào)制速度。研究人員對被調(diào)制量子級聯(lián)激光器的測量結(jié)果表明調(diào)制速率可高達(dá)1.67GHz（如圖）。

圖：利用鈦寶藍(lán)石飛秒激光照射一臺標(biāo)準(zhǔn)中紅外量子級聯(lián)激光器的前晶面，實現(xiàn)了對該量子級聯(lián)激光器高達(dá)1.67GHz的光學(xué)調(diào)制。1.2GHz處的凹陷是由熱沉溫度波動引起的。

“通過在電學(xué)幅度調(diào)制的基礎(chǔ)上輔以光學(xué)照射來實現(xiàn)直接頻率調(diào)制的方法，開創(chuàng)了全新的調(diào)制可能。”斯蒂文斯理工學(xué)院副教授兼實驗室主任Rainer Martini表示，“現(xiàn)在我們可以選擇數(shù)據(jù)怎樣被傳輸，并且可以獲得像衛(wèi)星鏈路那樣高質(zhì)量和可靠的數(shù)據(jù)傳輸——這僅僅需要帶寬更寬。同時，這種調(diào)制技術(shù)還可能為相干控制和激光器調(diào)諧提供一種全新的方法。”

參考文獻(xiàn)

1. G. Chen et al., Appl. Phys. Lett., 97, 011102 (July 2010).