太赫茲光子學(xué)組件研究獲重大突破
量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)是一種在中長紅外和太赫茲范圍工作的半導(dǎo)體激光器。在QCL中,電子負(fù)責(zé)發(fā)射光子進(jìn)入隨后的量子阱中,由此一個(gè)電子可以產(chǎn)生幾個(gè)光子,效率非常高。從一個(gè)量子阱到另一個(gè)量子阱的過渡稱為“量子級(jí)聯(lián)”。圖片來源:網(wǎng)絡(luò)(www.azooptics.com)
科技日報(bào)柏林9月1日電 (記者李山)近日,一個(gè)來自德國、意大利和英國的研究團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)出一種關(guān)鍵的光子組件,實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體量子阱的子帶間躍遷與金屬腔的光子模式超強(qiáng)耦合,有望用可飽和吸收體(SA)來制造廉價(jià)的、可引發(fā)短太赫茲脈沖的量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)。這將成為太赫茲應(yīng)用道路上的一個(gè)重要里程碑。相關(guān)成果發(fā)表在最近的《自然·通訊》上。
太赫茲波是指頻率介于微波與紅外之間的電磁波,由于其性質(zhì)特殊,具有廣泛的應(yīng)用潛力。如機(jī)場安全掃描儀、痕量氣體檢測、超高速通信技術(shù)和醫(yī)療技術(shù)等。但目前商用的太赫茲源還只能以連續(xù)波模式運(yùn)行。因此研發(fā)廉價(jià)的、能產(chǎn)生很少甚至單周期脈沖的緊湊型量子級(jí)聯(lián)激光器,替代結(jié)構(gòu)復(fù)雜且昂貴的臺(tái)式激光源,將加速帶來太赫茲領(lǐng)域各種激動(dòng)人心的應(yīng)用。
量子級(jí)聯(lián)激光器的發(fā)射過程基于半導(dǎo)體多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)中的子帶間(ISB)躍遷。采用飽和吸收器的被動(dòng)鎖模是激光器產(chǎn)生超短脈沖的一種方法。該模式需要響應(yīng)時(shí)間短且飽和閾值低的可飽和吸收體,但用于太赫茲光譜范圍的可飽和吸收體一直難以實(shí)現(xiàn),而且所需的光強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過量子級(jí)聯(lián)激光器的能力。
現(xiàn)在,研究團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)出一種由金鏡和金柵格組成的微結(jié)構(gòu)裝置,它們共同構(gòu)成了太赫茲輻射的共振體。它的共振可以與特殊半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)中的電子緊密耦合。通過高精度慢動(dòng)作相機(jī)觀察發(fā)現(xiàn),新結(jié)構(gòu)很好地響應(yīng)強(qiáng)太赫茲脈沖的刺激,在飛秒的時(shí)間尺度上吸收器就達(dá)到飽和。強(qiáng)烈的光脈沖可以將可飽和吸收體(金柵格)轉(zhuǎn)換成幾乎完美的鏡面。所需光強(qiáng)度比單獨(dú)的純半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)低十倍,且反應(yīng)比太赫茲脈沖的單個(gè)光振蕩更快。
意大利國家納米科技中心的米瑞安·維迪耶羅教授說:“我們現(xiàn)在掌握了使用飽和吸收體制造超快量子級(jí)聯(lián)激光器的所有必要組件。”太赫茲在很多領(lǐng)域的重要應(yīng)用將有望變?yōu)楝F(xiàn)實(shí),包括電信、化學(xué)分析和醫(yī)學(xué)診斷等。由于太赫茲輻射的振蕩速率比現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的時(shí)鐘速率快上千倍,超短太赫茲脈沖可以實(shí)現(xiàn)新一代的電信連接,被認(rèn)為是最有潛力的6G技術(shù)之一。
(責(zé)任編輯:王蔚)
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