濱松光子通過(guò)分析太赫茲波的產(chǎn)生原理、提高量子級(jí)聯(lián)激光器(Quantum Cascade Laser，QCL)輸出功率，同時(shí)利用濱松自主的光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)，加上高效的衍射光柵外部諧振器，成功開(kāi)發(fā)出了全球首款可在0.42~2THz范圍內(nèi)產(chǎn)生任意頻率太赫茲波的QCL模塊。

QCL模塊的外觀

濱松光子的該研究成果已刊登于Optica Publishing Group出版的PhotonicsResearch(光子學(xué)研究)電子版上(2月22日)。此研究的一部分受日本總務(wù)省“戰(zhàn)略信息和通信研究與發(fā)展促進(jìn)項(xiàng)目(SCOPE)”委托(受理號(hào)JP195006001)。

主要研究成果

1、比以往的太赫茲非線性QCL高出5倍的輸出功率。濱松光子分析了太赫茲非線性QCL中太赫茲波在內(nèi)部傳播的原理，發(fā)現(xiàn)其頂面與高電阻硅透鏡的連接可以提高太赫茲波的產(chǎn)生效率，并利用其多年來(lái)積累的晶體生長(zhǎng)技術(shù)和半導(dǎo)體工藝技術(shù)優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將1THz頻點(diǎn)的峰值輸出提高到亞毫瓦水平，是傳統(tǒng)非線性QCL的5倍以上。

2、全球首款0.42~2THz頻率可調(diào)的QCL模塊。濱松光子在太赫茲非線性QCL頂面的抗反射膜的材料進(jìn)行了深入研究，同時(shí)通過(guò)獨(dú)有的光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)，在QCL外部設(shè)置了匹配的衍射光柵，構(gòu)成諧振器，再通過(guò)電器控制傾斜度，實(shí)現(xiàn)了全球首款室溫下0.42～2THz范圍內(nèi)產(chǎn)生任意太赫茲波的QCL模塊。

頻率切換示意

頻率切換原理：從太赫茲非線性QCL發(fā)射的中紅外激光束在衍射光柵中進(jìn)行反射。在這種情況下，通過(guò)電控制衍射光柵并改變傾斜度來(lái)實(shí)現(xiàn)THz波的頻率的切換。

研發(fā)背景

由于待測(cè)樣品中所含成分各異，對(duì)于易于吸收的太赫茲波的頻率也會(huì)有所不同，利用這一特性，此次研究成果有望用于樣品的質(zhì)量評(píng)估、無(wú)損分析。此外，由于太赫茲波比高速通信標(biāo)準(zhǔn)“5G”所使用的頻段頻率還要高，因此該產(chǎn)品也有望用于下一代“6G”通信。

濱松光子在2018年通過(guò)利用獨(dú)有的量子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，采用反交叉雙重高能態(tài)設(shè)計(jì)(AnticrossDAUTM)，開(kāi)發(fā)了太赫茲非線性QCL。此太赫茲非線性QCL可以根據(jù)樣品中所含的成分，改變太赫茲波的頻率并進(jìn)行照射，再根據(jù)吸收率來(lái)提高分析精度。然而，目前還沒(méi)有一種半導(dǎo)體激光光源可以在一個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)頻率的變化。因此，濱松光子一直在研究和開(kāi)發(fā)可改變頻率的QCL模塊。

研發(fā)成果概要

該研究報(bào)告中，濱松光子分析了QCL中太赫茲波的產(chǎn)生原理，并利用多年來(lái)積累的晶體生長(zhǎng)技術(shù)和半導(dǎo)體工藝技術(shù)優(yōu)化了內(nèi)部結(jié)構(gòu)。同時(shí)還分析了太赫茲波在QCL內(nèi)部傳播的原理，發(fā)現(xiàn)頂面與高阻硅透鏡的連接可以提高太赫茲波的產(chǎn)生效率，將輸出功率提高到以往的5倍以上。結(jié)合濱松光子獨(dú)有的光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)，并給QCL搭配合適的衍射光柵，形成一個(gè)高效的外部諧振器，再通過(guò)電控制衍射光柵，使傾斜度發(fā)生改變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全球首款可在0.42~2THz范圍內(nèi)產(chǎn)生任意頻率的太赫茲波的QCL模塊。

本次研究結(jié)果表明，待測(cè)樣品中根據(jù)其不同成分，吸收頻率不同的情況下，用一個(gè)模塊切換頻率并照射窄帶太赫茲波來(lái)檢查每種成分的吸收率，可以提高藥物、食品和半導(dǎo)體材料的質(zhì)量評(píng)估和無(wú)損檢測(cè)的準(zhǔn)確性。此外，它還有望應(yīng)用于之前不易識(shí)別的塑料等高分子聚合物材料的識(shí)別。接下去，濱松光子也將繼續(xù)深入研究QCL的散熱結(jié)構(gòu)，目標(biāo)實(shí)現(xiàn)THz波穩(wěn)定連續(xù)的工作，期待太赫茲波在觀測(cè)宇宙空間的射電天文學(xué)等領(lǐng)域、數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)到每秒幾百千兆的超高速大容量短距離無(wú)線通發(fā)展方向上的應(yīng)用。

未來(lái)，濱松光子還將利用其獨(dú)有的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)，將QCL模塊縮小到指尖大小。

原文標(biāo)題：濱松開(kāi)發(fā)出全球首款0.42~2THz可調(diào)諧量子級(jí)聯(lián)激光器

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審核編輯：湯梓紅