一种0.42~2THz可调谐量子级联激光器

滨松光子通过分析太赫兹波的产生原理、提高量子级联激光器(Quantum Cascade Laser，QCL)输出功率，同时利用滨松自主的光学设计技术，加上高效的衍射光栅外部谐振器，成功开发出了全球首款可在0.42~2THz范围内产生任意频率太赫兹波的QCL模块。

QCL模块的外观

滨松光子的该研究成果已刊登于Optica Publishing Group出版的PhotonicsResearch(光子学研究)电子版上(2月22日)。此研究的一部分受日本总务省“战略信息和通信研究与发展促进项目(SCOPE)”委托(受理号JP195006001)。

主要研究成果

1、比以往的太赫兹非线性QCL高出5倍的输出功率。滨松光子分析了太赫兹非线性QCL中太赫兹波在内部传播的原理，发现其顶面与高电阻硅透镜的连接可以提高太赫兹波的产生效率，并利用其多年来积累的晶体生长技术和半导体工艺技术优化内部结构，将1THz频点的峰值输出提高到亚毫瓦水平，是传统非线性QCL的5倍以上。

2、全球首款0.42~2THz频率可调的QCL模块。滨松光子在太赫兹非线性QCL顶面的抗反射膜的材料进行了深入研究，同时通过独有的光学设计技术，在QCL外部设置了匹配的衍射光栅，构成谐振器，再通过电器控制倾斜度，实现了全球首款室温下0.42～2THz范围内产生任意太赫兹波的QCL模块。

频率切换示意

频率切换原理：从太赫兹非线性QCL发射的中红外激光束在衍射光栅中进行反射。在这种情况下，通过电控制衍射光栅并改变倾斜度来实现THz波的频率的切换。

研发背景

由于待测样品中所含成分各异，对于易于吸收的太赫兹波的频率也会有所不同，利用这一特性，此次研究成果有望用于样品的质量评估、无损分析。此外，由于太赫兹波比高速通信标准“5G”所使用的频段频率还要高，因此该产品也有望用于下一代“6G”通信。

滨松光子在2018年通过利用独有的量子结构设计技术，采用反交叉双重高能态设计(AnticrossDAUTM)，开发了太赫兹非线性QCL。此太赫兹非线性QCL可以根据样品中所含的成分，改变太赫兹波的频率并进行照射，再根据吸收率来提高分析精度。然而，目前还没有一种半导体激光光源可以在一个模块实现频率的变化。因此，滨松光子一直在研究和开发可改变频率的QCL模块。

研发成果概要

该研究报告中，滨松光子分析了QCL中太赫兹波的产生原理，并利用多年来积累的晶体生长技术和半导体工艺技术优化了内部结构。同时还分析了太赫兹波在QCL内部传播的原理，发现顶面与高阻硅透镜的连接可以提高太赫兹波的产生效率，将输出功率提高到以往的5倍以上。结合滨松光子独有的光学设计技术，并给QCL搭配合适的衍射光栅，形成一个高效的外部谐振器，再通过电控制衍射光栅，使倾斜度发生改变，进而实现全球首款可在0.42~2THz范围内产生任意频率的太赫兹波的QCL模块。

本次研究结果表明，待测样品中根据其不同成分，吸收频率不同的情况下，用一个模块切换频率并照射窄带太赫兹波来检查每种成分的吸收率，可以提高药物、食品和半导体材料的质量评估和无损检测的准确性。此外，它还有望应用于之前不易识别的塑料等高分子聚合物材料的识别。接下去，滨松光子也将继续深入研究QCL的散热结构，目标实现THz波稳定连续的工作，期待太赫兹波在观测宇宙空间的射电天文学等领域、数据传输速度达到每秒几百千兆的超高速大容量短距离无线通发展方向上的应用。

未来，滨松光子还将利用其独有的微机电系统(MEMS)技术，将QCL模块缩小到指尖大小。

原文标题：滨松开发出全球首款0.42~2THz可调谐量子级联激光器

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审核编辑：汤梓红