相干声学声子脉冲对太赫兹量子级联激光器的高速调制

  2020年2月，利兹大学电子电气工程学院John Cunningham教授团队、Edmund Linfield教授团队以及诺丁汉大学物理与天文学学院的Anthony Kent教授团队合作，在国际著名期刊《自然·通讯》发表了题为“相干声学声子脉冲对太赫兹量子级联激光器的高速调制(High-speed modulation of a terahertz quantum cascade laser by coherent acoustic phonon pulses)”的研究成果。该论文报道了目前太赫兹量子级联激光器高速调制工作的最新进展，并有望在高速太赫兹通信、高分辨率光谱学研究等领域发挥作用。

  激光的快速调制是光通信、高分辨率光谱学和计量学应用的基本要求。在太赫兹频率范围内，量子级联激光器作为一种高功率光源，具有广泛的应用潜力。对于太赫兹量子级联激光器，最常见的调制方法是通过控制偏置电压进行增益控制。由于太赫兹量子级联激光器中激光跃迁的高能级寿命(皮秒量级)通常比腔往返时间(?50 ps)短，因而激光功率和增益不会表现出弛豫振荡，原则上可以进行高达?100 GHz的直接调制。然而，实际上激光器的调制带宽受到电子器件寄生电感和相位匹配等因素的限制，目前最高调制带宽限制在35 GHz左右，为进一步提高调制频率，必须寻找其他方法在超短时间尺度对激光器的增益进行调制。

  合作团队利用相干声学声子脉冲实现了太赫兹量子级联激光器的高速调制，并使用微扰理论解释了这一过程，研究装置如图1a所示。研究人员首先在量子级联激光器的半绝缘砷化镓衬底上镀一层铝膜用于声能转换。然后，使用皮秒级的红外激光器轰击铝膜，引起铝膜的膨胀与收缩，进而产生皮秒级声波。当声波传播到量子级联激光器有源区时，会引起量子阱内电子的能级改变。声波与量子级联激光器能带结构之间的相互作用是复杂的，且声波会干扰多个子带，因而直接进行量子层面的分析非常困难。研究人员通过偏置电压和不受干扰的功率(从图1c得出)之间的测量关系进行了定量分析，巧妙地将隐藏的量子现象与单一可观察参数关联，进而通过线性微扰近似直接预测太赫兹功率的变化，实现了该调制过程的研究。该团队最终在实验中实现了~800 ps的太赫兹调制上升时间(受测量仪器响应时间限制)，最大调制深度6%，并从理论上预测通过使用更薄有源区的量子级联激光器以及激发更短的声波，有望实现高达200 GHz的调制速度。

图1 a通过激光产生的皮秒声脉冲来测量太赫兹量子级联激光器的光学和电子扰动的实验装置；b量子级联激光器器件结构示意图，其中红色实线和红色虚线分别表示透射和反射应变脉冲；c无声脉冲的情况下，量子级联激光器的功率-电流-电压特性曲线；d简化的量子级联激光器能带结构。

  太赫兹量子级联激光器作为最具潜力的太赫兹光源之一，在通信、成像和光谱学研究等领域具有重要的应用。目前，用于调制量子级联激光器的系统一般是电驱动的，但是提供调制的电子设备限制了调制速度的进一步提升。该工作开创性地通过超快声学调制控制量子级联激光器中的电子状态和载流子传输，并巧妙地将复杂的物理过程简化为对单个可观测变量的研究，实现了对太赫兹激光的高速调制及测量。这项技术中，调制速度由声波的持续时间(数皮秒)决定，意味着可以实现100 GHz量级的调制速率，有望将当前无线网络传输的速度提升上千倍，为超高速太赫兹通信的实现提供了重要的技术基础，并有望进一步促进量子级联激光器在太赫兹高分辨率光谱学、主动锁模以及光频梳合成等领域的发展和应用。

  撰稿人 | 吴函烁

  作者 | Aniela Dunn, Edmund Linfield, John Cunningham & Anthony Kent

  完成单位 | 利兹大学电子电气工程学院;诺丁汉大学物理与天文学学院