管玟，李子平，馬旭紅，3，王晨捷，3，萬(wàn)文堅(jiān)，曹俊誠(chéng)，3，黎華，3*

（1.中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 200050；2.上?？萍即髮W(xué)，上海 201210；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 引言

頻率范圍處于0.1~10 THz的電磁波被定義為太赫茲波。由于大量物質(zhì)的“指紋譜”（特征吸收線）處于太赫茲波段［1-2］，所以太赫茲光譜在基礎(chǔ)科學(xué)、生物診斷和安防等方面具有獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

傅里葉變換紅外（Fourier transform infrared，F(xiàn)TIR）光譜儀和時(shí)域光譜儀（Time-domain spec‐troscopies，TDS）是現(xiàn)有的兩種常見的可應(yīng)用于太赫茲波段的商業(yè)光譜測(cè)量?jī)x器。這兩種光譜儀各有其優(yōu)勢(shì)，F(xiàn)TIR的測(cè)量范圍覆蓋可見光到太赫茲波，而TDS在光譜測(cè)量方面具有很高的動(dòng)態(tài)范圍（>40 dB）。但是，無(wú)論是FTIR還是TDS都很難實(shí)現(xiàn)高精度的光譜測(cè)量。大多數(shù)的FTIR可以實(shí)現(xiàn)的最高精度為GHz量級(jí)，并且精度越高，其內(nèi)部干涉儀的臂長(zhǎng)越長(zhǎng)，儀器體積越大。同樣地，TDS可實(shí)現(xiàn)的精度也僅在GHz量級(jí)。相較上述兩種商業(yè)光譜儀，利用雙光梳實(shí)現(xiàn)光譜測(cè)量具有優(yōu)勢(shì)，可以快速獲取數(shù)據(jù)且無(wú)需移動(dòng)部件。雙光梳由兩個(gè)重復(fù)頻率有略微差別的光頻梳拍頻產(chǎn)生［3-4］，可以利用其中一個(gè)光頻梳的自探測(cè)直接測(cè)量雙光梳譜，即可在頻譜分析儀上進(jìn)行觀測(cè)［5-6］。盡管如此，利用雙光梳只能實(shí)現(xiàn)對(duì)光譜的間接測(cè)量，因?yàn)槿绻胍鶕?jù)微波波段的雙光梳譜得到太赫茲光譜，首先需要建立雙光梳譜與用于探測(cè)樣品的光頻梳梳齒之間的聯(lián)系。文獻(xiàn)［8］中提出先利用雙光梳測(cè)量水汽的吸收譜，再通過(guò)與HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)中的結(jié)果進(jìn)行比較，最后判斷出兩個(gè)光頻梳的相對(duì)位置，可大致推斷出雙光梳梳齒對(duì)應(yīng)的太赫茲頻率。可以看出該方法具有一定的復(fù)雜性。為了更簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)光譜測(cè)量，研究人員提出了一種利用可調(diào)諧單模激光器實(shí)現(xiàn)的光譜測(cè)量的方法。由于單模激光器只包含一個(gè)頻率，該方法可以較為方便地建立微波與太赫茲波之間的聯(lián)系。

太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器是一種高輸出功率［7］，寬頻率覆蓋范圍（1.2~5.6 THz）［8-9］，高遠(yuǎn)場(chǎng)光斑質(zhì)量［10］，高工作溫度（250 K）［11］的電泵浦半導(dǎo)體太赫茲源，所以它適合作為光譜測(cè)量中所需的可調(diào)諧激光源。目前為止，不同的方法被提出以測(cè)量單模激光器的調(diào)諧特性，如利用FTIR直接測(cè)量，但該方法精度較低。本文提出了一種基于太赫茲量子級(jí)聯(lián)光頻梳和單模激光器拍頻的高精度調(diào)諧測(cè)量方法被提出。該方法中使用的兩臺(tái)量子級(jí)聯(lián)激光器（Quantum Cascade Lasers，QCL）激射中心頻率均為4.2 THz，通過(guò)光路將其中一臺(tái)QCL的出射光耦合至另一臺(tái)QCL的諧振腔中，二者拍頻后得到對(duì)應(yīng)的微波信號(hào)。通過(guò)測(cè)量這些微波拍頻信號(hào)，可以得到單模激光器的調(diào)諧特性［12］。量子級(jí)聯(lián)激光器的載流子弛豫時(shí)間為ps量級(jí)，可以直接作為探測(cè)器測(cè)得微波拍頻信號(hào)，隨即傳輸至頻譜分析儀用于觀察與分析。頻譜分析儀具有高分辨力，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單模激光器調(diào)諧的高精度測(cè)量。

1 實(shí)驗(yàn)原理及裝置

圖1所示的激光器拍頻原理示意圖中，藍(lán)色實(shí)線表示光頻梳QCL1的梳齒，frep為其重復(fù)頻率，紅色虛線表示單模激光器QCL2，二者拍頻會(huì)產(chǎn)生不同的微波信號(hào)f1，f2，……fn。

圖1 激光器拍頻原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the laser beating system

從圖1可以看出：信號(hào)滿足一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，即：f1+f2=frep，f1+frep=f3，f2+frep=f4，f3+f4=3frep……，依此類推。同時(shí)，當(dāng)單模激光器QCL2被調(diào)諧時(shí)，微波信號(hào)也會(huì)發(fā)生同步的頻移。雖然fn位于不同的頻率，但在理想情況下，它們的頻移速率和范圍原則上是相同的。所以，只要測(cè)量其中一根拍頻信號(hào)，即可得到單模激光器的調(diào)諧特性，即調(diào)諧速率和調(diào)諧范圍。通過(guò)該方法可以聯(lián)想到使用兩個(gè)單模激光器拍頻來(lái)進(jìn)行調(diào)諧測(cè)量，但是，這對(duì)單模激光器頻率有很高的要求，二者的頻率差需要在頻譜分析儀的測(cè)量范圍內(nèi)，并且即使拍頻信號(hào)在頻譜分析儀的測(cè)量范圍內(nèi)，從一堆雜亂的噪聲中找到該信號(hào)也很困難。而利用單模激光器和光頻梳進(jìn)行拍頻，可以確保在重復(fù)頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)兩個(gè)拍頻信號(hào)，且只要找到一根拍頻信號(hào)，即可通過(guò)它們之間的數(shù)學(xué)關(guān)系估算出其它信號(hào)所在位置，大大降低了調(diào)諧測(cè)量的難度。

圖2所示為激光器拍頻實(shí)驗(yàn)的裝置圖。QCL1與QCL2的有源區(qū)都基于Al0.25Ga0.75As/GaAs的材料體系，采用束縛態(tài)到連續(xù)態(tài)的躍遷方式產(chǎn)生光子，結(jié)合聲子散射實(shí)現(xiàn)下能級(jí)的粒子數(shù)減少［13］。通過(guò)分子束外延技術(shù)將上述級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)在半絕緣的GaAs襯底上，再經(jīng)過(guò)工藝加工，制作出長(zhǎng)6 mm，寬150μm的半絕緣表面等離子體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，最后將其封裝在銅制的熱沉上以便散熱與測(cè)量。在測(cè)量過(guò)程中，分別用兩個(gè)獨(dú)立的電源對(duì)QCL1和QCL2進(jìn)行供電，給QCL1施加較高的電流，使其工作在光頻梳狀態(tài)，同時(shí)給QCL2施加較低的電流，使其工作在單模狀態(tài)。QCL1的出射光經(jīng)過(guò)兩個(gè)離軸拋物面鏡后聚焦并耦合至QCL2的諧振腔內(nèi)。QCL2不僅可以與QCL1拍頻，同時(shí)還可以對(duì)拍頻得到的信號(hào)進(jìn)行自探測(cè)［6-8］。利用QCL本身作為探測(cè)器，可以代替外部探測(cè)器，從而簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)裝置。為了提取微波信號(hào)，在離QCL2后端面約1~2 mm的位置安裝了微帶線，其一端通過(guò)金線鍵合與QCL2的上電極相連，另一端則通過(guò)同軸高頻線與外部電路相連。首先將高頻線與一個(gè)T型偏置器相連以隔絕直流，這樣可以更好地傳輸微波信號(hào)；然后將信號(hào)傳送至一個(gè)增益為30 dB的微波放大器，以便于觀察與測(cè)量；最終將其傳送至頻譜分析儀（Rohde&Schwarz，F(xiàn)SW26）。

圖2 激光器拍頻實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.2 Experimental setup of the laser beating system

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

為了證實(shí)上文中所述的電流對(duì)QCL工作狀態(tài)的影響，首先用FTIR（Bruker，Vertex 80v）測(cè)量了QCL1和QCL2在不同電流下的發(fā)射光譜。如圖3所示，QCL1的工作電流為988 mA，工作溫度為30 K，可以看出它工作在多模狀態(tài)。而根據(jù)課題組以往的工作［9-14］，可以證實(shí)這是一種特殊的多模狀態(tài)，即光頻梳狀態(tài)。QCL2的工作電流為690 mA，工作溫度為32 K，可以看出它工作在單模狀態(tài)，并且該單模狀態(tài)可在一定電流范圍內(nèi)維持。

圖3 QCL1與QCL2的發(fā)射光譜圖Fig.3 Emission spectra of QCL1 and QCL2

將QCL1和QCL2的電流分別設(shè)置為988 mA和648 mA，熱沉溫度控制在28.5 K時(shí)，利用QCL2測(cè)量二者的拍頻信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中一共測(cè)得五根拍頻信號(hào)，圖4中展示了其中兩根，f1和f2。為了證明它們是QCL1和QCL2拍頻而得，同時(shí)測(cè)量并繪出了QCL1的模式間拍頻信號(hào)。圖4中標(biāo)注出了這三個(gè)信號(hào)所對(duì)應(yīng)的頻率，f1為2.24 GHz，f2為3.91 GHz，QCL1的模式間拍頻信號(hào)為6.15 GHz，通過(guò)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)它們之間的關(guān)系滿足前文原理中所提出的f1+f2=frep，可以證明它們的確為QCL1和QCL2之間的拍頻信號(hào)。另外，從圖4中還可以發(fā)現(xiàn)，QCL1模式間拍頻是單根信號(hào)，這是QCL處于光頻梳狀態(tài)的必要條件；f1和f2周圍沒有邊模，可以間接說(shuō)明QCL2處于單模狀態(tài)。

圖4 QCL2測(cè)得的拍頻信號(hào)Fig.4 Beatnote signals measured by QCL2

證明了實(shí)驗(yàn)原理的可行性后，根據(jù)該原理對(duì)單模激光器QCL2的調(diào)諧特性進(jìn)行測(cè)量。將QCL1和QCL2的電流分別設(shè)置為988 mA和648 mA，再利用溫度控制器改變QCL2的溫度。前文中提到的，原則上，不同的拍頻信號(hào)所反映出的調(diào)諧特性應(yīng)該幾乎相同，故選取f2來(lái)記錄其變化。如圖5所示，當(dāng)溫度下降時(shí)f2向頻率低的方向移動(dòng)，即f2對(duì)應(yīng)的頻率減小。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)溫度降低時(shí)，激光器的頻率會(huì)發(fā)生藍(lán)移，因此可以推測(cè)QCL2的頻率更靠近其左邊的（QCL1的）梳齒。以1 K為步長(zhǎng)，測(cè)量了從25 K到29 K所對(duì)應(yīng)的f2的頻率，其頻率移動(dòng)范圍約為212 MHz，可計(jì)算出其平均調(diào)諧速率為53 MHz/K。需要說(shuō)明的是，當(dāng)溫度高于29 K時(shí)，由于信號(hào)太弱而無(wú)法測(cè)量，當(dāng)溫度低于25 K時(shí)，f2周圍開始出現(xiàn)邊模，因此更低溫度的情況也未測(cè)量。另外，此處的速率為人為所取的平均值，并不代表QCL2隨溫度的調(diào)諧速率是線性的。

圖5 QCL2的溫度調(diào)諧特性Fig.5 Temperature tuning characteristics of QCL2

圖6記錄的是改變單模激光器QCL2的電流時(shí)，f2的頻移情況，即QCL2被電流所調(diào)諧時(shí)的情況。當(dāng)QCL2的電流小于680 mA時(shí)，f2信號(hào)太弱無(wú)法與噪聲區(qū)分，而當(dāng)電流大于700 mA時(shí)，f2開始出現(xiàn)邊模，所以按照5 mA為步長(zhǎng)，記錄了680 mA到700 mA所對(duì)應(yīng)的f2。上文已推測(cè)出QCL2更靠近其左邊的梳齒，電流增大時(shí)QCL一般會(huì)發(fā)生藍(lán)移，所以f2會(huì)減小，這與圖6中的現(xiàn)象是一致的，可以證明QCL2更靠近其左邊的梳齒這一推論是正確的。在這段電流范圍內(nèi)，f2的頻移范圍為51 MHz，即QCL2的頻移范圍為51 MHz，可以計(jì)算出QCL2的電流調(diào)諧速率約為2.6 MHz/mA。同樣需要說(shuō)明的是，此處的速率為人為所取的平均值，并不代表QCL2隨電流的調(diào)諧速率是線性的。

圖6 QCL2的電流調(diào)諧特性Fig.6 Current tuning characteristics of QCL2

需要說(shuō)明的是，該實(shí)驗(yàn)中的光頻梳和單模激光器均處于自由運(yùn)行狀態(tài)，二者產(chǎn)生的拍頻信號(hào)具有一定的不穩(wěn)定性，在獲取調(diào)諧速率結(jié)果時(shí)進(jìn)行了平均處理，所以目前無(wú)法得知單模激光器隨溫度/電流的調(diào)諧是否為線性。如需確認(rèn)其線性度，可以對(duì)光頻梳和單模激光器進(jìn)行進(jìn)一步穩(wěn)頻處理。如果單模激光器隨溫度/電流的調(diào)諧是線性的，在測(cè)量光譜時(shí)，可以直接由初始頻率和改變的溫度/電流來(lái)獲得實(shí)時(shí)頻率；如果是非線性的，可以將非線性區(qū)分割為不同的小區(qū)段，每個(gè)小區(qū)段中調(diào)諧速率可以近似為線性，同時(shí)減小溫度/電流的步長(zhǎng)，也可以測(cè)得對(duì)應(yīng)光譜。但是，后者的測(cè)量結(jié)果具有一定誤差，若要獲得準(zhǔn)確結(jié)果，也可以尋找其它線性的調(diào)諧方式。

另外，由于實(shí)驗(yàn)中所用的QCL2的每毫安或每開爾文的調(diào)諧速率為MHz量級(jí)，所以頻譜分析儀采用的分辨力帶寬（Resolution bandwidth，RBW）為1 MHz。而頻譜分析儀的RBW可以達(dá)到Hz量級(jí)，所以當(dāng)需要更高的精度來(lái)測(cè)量其他單模激光器的調(diào)諧特性時(shí)，該方法也可以適用。該方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，直接利用QCL的自探測(cè)測(cè)量拍頻信號(hào)，響應(yīng)速度快，響應(yīng)帶寬大，且無(wú)需在測(cè)量裝置中引入另外的探測(cè)器，降低了實(shí)驗(yàn)裝置的復(fù)雜性。

最后，該拍頻機(jī)制在一些實(shí)際應(yīng)用方面展現(xiàn)出了潛在價(jià)值。一方面，它可以用來(lái)測(cè)量窄吸收線的線型。由于下變頻光譜可以使用頻譜分析儀進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，可以通過(guò)溫度和/或電流調(diào)諧激光頻率，然后獲得每個(gè)點(diǎn)的功率值，從而得到完整線型。另一方面，它有望應(yīng)用于太赫茲通信。當(dāng)QCL1或QCL2輸出的太赫茲波攜帶了特定信號(hào)時(shí)，會(huì)反映在二者的拍頻信號(hào)上，利用其中任一QCL可以測(cè)得拍頻信號(hào)。并且，由于QCL1和QCL2拍頻會(huì)產(chǎn)生不同的拍頻信號(hào)，原則上可以提供多個(gè)不同的傳輸信道。

3 總結(jié)

綜上所述，本研究提出了一種可以表征太赫茲單模QCL調(diào)諧特性的拍頻方法。在研究過(guò)程中，單模QCL和光頻梳QCL拍頻所得信號(hào)直接由單模QCL測(cè)量而得。該方法不需要外置探測(cè)器，也沒有任何移動(dòng)部件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所測(cè)單模QCL的溫度和電流調(diào)諧速率分別為53 MHz/K和2.6 MHz/mA。相較于FTIR，該方法有兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：測(cè)量精度高、獲取數(shù)據(jù)的速度快。該方法有望實(shí)現(xiàn)窄吸收線線型測(cè)量和多信道太赫茲通信的應(yīng)用。