Gail Overton

由于中紅外量子級(jí)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(duì)其發(fā)射波長(zhǎng)（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(zhǎng)紅移，但由于其熱時(shí)間常數(shù)為微秒量級(jí)，因此不能用于高速調(diào)制。然而幸運(yùn)的是，美國(guó)斯蒂文斯理工學(xué)院（Stevens Institute of Technology）、重慶大學(xué)和加拿大國(guó)家研究委員會(huì)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(jí)聯(lián)激光器的前晶面，從而實(shí)現(xiàn)了一種通過(guò)光學(xué)手段對(duì)其進(jìn)行快速波長(zhǎng)調(diào)制的方法。^[1]這種方法可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)1.67GHz的波長(zhǎng)調(diào)制頻率，從而使得量子級(jí)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(jí)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(shí)現(xiàn)了對(duì)一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器的波長(zhǎng)調(diào)制。波長(zhǎng)為820nm的鈦寶石激光的脈沖持續(xù)時(shí)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(gè)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(jí)聯(lián)激光器是一臺(tái)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(jí)聯(lián)激光器，其中心波長(zhǎng)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(jí)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(jí)聯(lián)激光器的前晶面，首先實(shí)現(xiàn)了重復(fù)頻率為83.3MHz的幅度調(diào)制。接下來(lái)，他們把一塊鍺標(biāo)準(zhǔn)具放置在中紅外量子級(jí)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(zhǎng)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(shí)，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(qiáng)只能是由發(fā)射波長(zhǎng)展寬或者真正的波長(zhǎng)移動(dòng)引起的。

波長(zhǎng)移動(dòng)的證明

為了直接證明他們觀察到的調(diào)制增強(qiáng)是由于波長(zhǎng)移動(dòng)（真正的波長(zhǎng)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(duì)相應(yīng)的量子級(jí)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(zhǎng)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(shuō)，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(zhǎng)移動(dòng)，而不是激光發(fā)射的展寬。

該研究小組將這種波長(zhǎng)移動(dòng)歸因于兩種可能的機(jī)制。其一，由近紅外鈦寶石激光照射在量子級(jí)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(zhǎng)度，并導(dǎo)致了發(fā)射波長(zhǎng)的藍(lán)移。其二，光生熱載流子的熱化使得量子級(jí)聯(lián)激光器接近前晶面的部分發(fā)射波長(zhǎng)變短，從而實(shí)現(xiàn)了非常高的調(diào)制速度。研究人員對(duì)被調(diào)制量子級(jí)聯(lián)激光器的測(cè)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(tái)標(biāo)準(zhǔn)中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器的前晶面，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該量子級(jí)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(dòng)引起的。

“通過(guò)在電學(xué)幅度調(diào)制的基礎(chǔ)上輔以光學(xué)照射來(lái)實(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)，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).