激光技术推动太赫兹光导源技术的发展

jiguangdiaokeji · 发表于 2009-1-9 16:30:10

目前，应用在太赫兹领域的光导开关和光混频技术已经实现了商业化，并且随着光导材料和超快激光器的发展，这两项技术正在不断进步。

随着全球光纤通信市场的增长，近红外半导体激光器和光纤激光器的性能在不断改善，并且价格持续下降。目前输出波长在780～1550nm之间的商用单纵模半导体激光器，其输出功率高达100mW，已经可以满足应用在太赫兹领域的光混频器对时间和空间的相干性要求。随着掺铒光纤放大器和光纤耦合非线性光学技术的进步，波长为800nm的锁模激光器的平均输出功率已高达10mW，峰值功率已经超过1kW，因此其也能满足应用在太赫兹领域的光混频器对时间相干性和输出功率的要求。

近年来，太赫兹技术发展势头迅猛。生物学和化学领域新现象（如分子吸收表征）的不断涌现、新型固体激光器（如量子级联激光器）的不断进步、适时系统（如对隐蔽对象进行成像和对爆炸物进行检测）的广泛应用，均推动了太赫兹技术的进步。目前，太赫兹仍然是整个电磁频谱中最具挑战性的波段，其中一个重要的原因是缺乏宽带、价格适中、室温工作的太赫兹器件。

超快光导器件是太赫兹技术发展进程中最具代表性的成果。目前，光导开关（PC开关）已经成为宽带太赫兹辐射源的首选器件，主要应用在低分辨率光谱和成像领域。20世纪90年代，David H. Auston利用低温生长砷化镓（GaAs）技术将PC开关推向了一个全新的阶段，为PC开关的发展做出了开创性的贡献。[1,2] 相对PC开关而言，光导混频器的应用范围则较为狭窄，但它却在连续波单频输出和宽带可调谐领域扮演着重要角色，如高分辨率光谱仪和可调谐本地振荡器。低输出功率是光导器件的主要缺点，PC开关的输出功率小于100礧，光混频器的输出功率则更低，只有1礧。随着商业激光器和光导器件的技术进步，以光导器件为基础的太赫兹系统的成本正在不断下降。

太赫兹光导材料

过去十年，研究人员对“缺陷工程”半导体表现出浓厚的兴趣，因为它的亚皮秒光载流子复合特性和高击穿电场特性有望应用在太赫兹光混频器和快速PC开关上。目前业界对“缺陷工程”半导体的研究主要集中在两个方面：低温生长GaAs技术和过量的砷沉积对器件性能的影响。[3] 研究人员已经开发出一种新型复合半金属-半导体纳米粒子的室温生长技术。利用该项技术在GaAs上生长薄层砷化铒（ErAs），进而形成盘状ErAs纳米粒子，该粒子具有与低温生长GaAs相同的亚皮秒寿命。[4] 目前太赫兹光混频器的输出功率已经获得了极大的提高，特别是在1THz以上的频段。

光混频器的功率谱可以用形态学、能带结构、半金属-半导体纳米粒子的半经典输运理论进行解释。透射电子显微图和已有的研究均表明，ErAs层在生长中将分化成独立的ErAs纳米粒子，这些纳米粒子相比典型的GaAs点缺陷尺寸更大。例如，在630℃时，ErAs层分化成高度为0.9～1.2nm、横向尺寸长达10nm的ErAs纳米粒子。

为了减小碰撞电离和其他击穿效应的影响，研究人员通过改变ErAs纳米粒子的空间分布对ErAs:GaAs的生长工艺进行了改进。ErAs纳米粒子由分子束外延技术决定，通常只分布在准二维层。目前，研究人员将Er与Ga和As一起进行沉积，可以实现ErAs纳米粒子的均匀分布。这种方法类似低温生长GaAs的As沉积，但是可以保持GaAs内ErAs纳米粒子之间的高级输运。

扫描振荡器的应用

光混频器具有良好的高频响应特性，如果两个泵浦激光器具有较高的外部耦合效率，同时采用有效的热管理技术，光混频器在太赫兹波段可以产生相对较高的输出功率。对于ErAs:GaAs光混频，泵浦源通常采用两个工作波长在775nm附近的偏频外腔半导体激光器，光混频器的有源区域位于光学谐振腔内，其光学谐振腔由底端的分布式布拉格反射镜（DBR）和顶端的氮化硅抗反射涂层组成（见图1）。[5] 通过这种设计，每个泵浦激光器的平均输出功率可以增加到30mW。太赫兹输出通过一个正方形螺旋天线耦合，然后通过一个高阻硅超半球形透镜进入自由空间。

ErAs:GaAs光混频器在100GHz低频端的最大输出功率约为10礧，在1Tz时略高于1礧，高于1THz时输出功率进一步下降。与以前的低温生长GaAs光混频器比较，ErAs:GaAs光混频器的最大输出功率提高了一倍。[6] 太赫兹输出功率的测量仪器包括频率在104GHz时经过Gunn二极管校正的Golay探测器、热功率计、波导衰减器和标准的增益喇叭天线。由于外部功率的耦合效率较低，相比红外波长，经校正后的Golay探测器对太赫兹辐射具有较小的响应度。

虽然ErAs:GaAs光混频器的输出功率较低，但对于自由空间耦合的太赫兹扫描振荡器而言仍然是足够的，因此其可以应用在太赫兹领域的生物粒子和生物材料研究中（见图2）。同时这些应用场合不需要大型的气体激光器、高电压和大磁场，Golay探测器完全可以在室温条件下工作，在100GHz～1THz范围内，其平均信噪比高达20dB。若使用太赫兹低温测辐射热仪，信噪比可以进一步提高。电动轿车配件激光刻章机无缝管钨绞丝聊城网络公司激光雕刻机

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