[论文解读] Ultra-broadband quantum cascade laser operating from 1.88 to 3.82 THz

Markus Rösch, Mattias Beck+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2016

Spectroscopy and Laser Applications参考文献 24被引用 29

一句话总结

本论文提出了一种异质量子级联激光器（QCL），其宽带有源区设计覆盖1.88–3.82 THz，实现了1.94 THz的光谱带宽（分散工作模式）和1.1 THz的频率梳（FC）工作模式。通过集成四种不同的有源区设计，并优化掺杂和周期分布，该激光器实现了超宽带、高功率的太赫兹发射，动态范围和输出功率均得到提升，其频率梳特性通过自检测双梳光谱技术得到验证。

ABSTRACT

We report on a heterogeneous active region design for terahertz quantum cascade laser based frequency combs. Dynamic range, spectral bandwidth as well as output power have been significantly improved with respect to previous designs. When operating individually the lasers act as a frequency comb up to a spectral bandwidth of 1.1 THz, while in a dispersed regime a bandwidth up to 1.94 THz at a center frequency of 3 THz can be reached. A self-detected dual-comb setup has been used to verify the frequency comb nature of the lasers.

研究动机与目标

• 通过有源区工程将太赫兹量子级联激光器的光谱带宽扩展至超越以往极限。
• 提升宽带太赫兹QCL的动态范围和输出功率，以满足实际光谱分析应用需求。
• 在单个太赫兹QCL器件中实现稳定、超宽带的频率梳工作模式。
• 通过自检测双梳设置验证激光器的频率梳特性。

提出的方法

• 设计一种异质级联结构，集成四种中心频率分别为2.3、2.6、2.9和3.4 THz的有源区设计。
• 优化每种设计的周期数，以平衡阈值电流并实现整个带宽范围内的平坦增益。
• 将Si掺杂浓度提高至2.2×10¹⁶ cm⁻³，以增强载流子注入并改善动态范围。
• 采用湿法刻蚀（脉冲工作模式）和干法刻蚀（连续波工作模式）在金属-金属波导中制备激光器，以实现性能优化。
• 利用真空傅里叶变换红外光谱仪与射频谱分析仪构建自检测双梳系统，以验证频率梳工作模式。
• 通过测量模式间拍频信号和多波混频光谱，确认频率梳的稳定性和带宽。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过异质有源区设计，单个太赫兹QCL能否实现超过1.9 THz的光谱带宽？
• RQ2 有源区工程如何影响宽带QCL中的动态范围和输出功率？
• RQ3 在单个QCL器件中，频率梳工作模式的带宽可被扩展至何种程度？
• RQ4 自检测双梳光谱技术能否确认宽带太赫兹QCL的频率梳特性？

主要发现

• 在分散工作模式下，激光器在中心频率3 THz处实现了1.94 THz的光谱带宽，覆盖1.88至3.82 THz的范围。
• 在10 K温度下脉冲工作模式下测得峰值输出功率为10 mW，相比以往设计提升了40%。
• 激光器展示了频率梳工作模式，其带宽高达1.1 THz，该结果通过模式间拍频测量得到证实。
• 自检测双梳光谱技术验证了其频率梳特性，显示出带宽达175 GHz的多波混频光谱，受限于热效应。
• 动态范围（Jmax/Jth）达到2，表明在全宽带增益分布下电流承载能力和稳定性均得到提升。
• 异质有源区设计实现了所有四个频率分量的平坦增益和均衡的阈值电流，从而实现了宽频带覆盖。