中紅外(midIR)頻率具有更高的數(shù)據(jù)速率汁胆、更低的誤碼率和更強(qiáng)的抗惡劣天氣能力梭姓，是自由空間光通信的優(yōu)勢。量子級聯(lián)激光器(qcl)作為非常好的中紅外光源嫩码，是2.6 um到太赫茲范圍內(nèi)高速通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的有力候選者誉尖。盡管中紅外系統(tǒng)具有較短波長的優(yōu)勢，但由于中紅外光學(xué)調(diào)制器的帶寬較小，與近紅外(near-IR)設(shè)備相比，中紅外系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率存在瓶頸此外才写，到目前為止提出的大多數(shù)中紅外光學(xué)調(diào)制器主要工作在中紅外的短波長端(<3 um)，留下較長波長的3 - 5 um大氣窗口和6 - 20 um分子指紋窗口没咙。
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近紅外脈沖誘導(dǎo)量子級聯(lián)激光器中紅外傳輸調(diào)制的飛秒測量
zui近的研究證明了在低溫下使用 800 nm飛秒脈沖對qcl進(jìn)行全光調(diào)制祭刚，通過帶間躍遷改變電子居群。研究人員還通過在注入電流中加入射頻信號實(shí)現(xiàn)了qcl的直接調(diào)制墙牌。雖然文獻(xiàn)估計(jì)了QCL的超快增益調(diào)制涡驮，無弛豫振蕩，高達(dá)>100 GHz喜滨，但以前的工作直接測量的QCL輸出使用中紅外探測器捉捅，限制在10 GHz帶寬。因此虽风，仍有必要充分探索量子發(fā)光二極管對調(diào)制的時間光學(xué)響應(yīng)棒口。從這個意義上說，光泵浦探測技術(shù)是提供高時間分辨率的完美工具辜膝，僅受光脈沖寬度和延遲級分辨率的限制无牵。光泵浦探測技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于qcl中快速載流子動力學(xué)的研究。
我們研究了中紅外探測脈沖通過飛秒近紅外泵浦脈沖調(diào)制的QCL的傳輸厂抖。與以往在低溫下使用光子能量高于量子阱(QW)帶隙的近紅外脈沖調(diào)制QCL不同茎毁，我們比較了在室溫下光子能量低于和高于0.77 eV (1.6 lm)的InGaAs QW帶隙的兩種不同的近紅外泵對QCL傳輸?shù)恼{(diào)制。當(dāng)光子能量高于QW帶隙時忱辅，電子將從價帶被激發(fā)到導(dǎo)帶七蜘，然后通過帶間躍遷放松回價帶。當(dāng)泵浦光子能量低于QW帶隙時耕蝉，由于光子沒有足夠的能量崔梗，將不會發(fā)生帶間躍遷。相反垒在，在傳導(dǎo)帶較低的子帶中的電子將被激發(fā)到較高的子帶或連續(xù)區(qū)。直接測量諧振中紅外脈沖的傳輸變化提供了有關(guān)QCL增益調(diào)制的信息。
圖1(a)顯示了我們實(shí)驗(yàn)裝置的原理圖场躯。利用由Ti:藍(lán)寶石振蕩器谈为、Ti:藍(lán)寶石再生放大器、光學(xué)參量放大器(OPA)和自制差頻發(fā)生器(DFG)組成的激光系統(tǒng)產(chǎn)生飛秒中紅外探測脈沖(120 fs)我們將中紅外探頭波長調(diào)整為與QCL的電致發(fā)光和激光波長共振(4.72 lm)踢关，如圖1(b)所示伞鲫。泵浦脈沖是剩余的OPA信號(1.38 lm)或空閑脈沖(1.95 lm)，光子能量分別高于和低于InGaAs qw的帶隙(1.60 lm)签舞。為了在室溫下進(jìn)行時間分辨測量并減少Q(mào)CL的加熱秕脓，我們在250 kHz下對QCL (100 ns電脈沖寬度)進(jìn)行脈沖偏置OPA和DFG的重復(fù)頻率，由1 ns中紅外探測器同步儒搭。與文獻(xiàn)11在低溫下對連續(xù)波偏置QCL進(jìn)行簡并泵浦-探針測量不同的是吠架，我們將QCL脈沖偏置剛好低于激光閾值，以z小化強(qiáng)激光QCL對探針傳輸?shù)臄_動搂鲫。雖然損耗略大于增益傍药，但實(shí)現(xiàn)了上下激光態(tài)之間的電子居數(shù)反轉(zhuǎn)，注入器基態(tài)能級與QCL有源區(qū)上激光能級能級對齊魂仍。使用半波片和偏振片的組合可以旋轉(zhuǎn)泵的偏振拐辽。中紅外探針呈線性橫磁極化(TM)，與量子阱的生長方向一致擦酌。根據(jù)子帶間躍遷的極化選擇規(guī)則選擇該偏振俱诸。因此，表明不同子帶間能級載流子數(shù)量的QCL波導(dǎo)的損耗或增益可以通過中紅外探頭的傳輸直接測量赊舶。近紅外泵浦脈沖通過一個機(jī)動延遲階段睁搭，使泵浦和探頭之間的時間延遲變化為fs。然后锯岖，我們使用ZnSe窗口將泵浦脈沖和探測脈沖共線性組合介袜。利用0.56數(shù)值孔徑(NA)的非球面透鏡將泵浦脈沖和探頭脈沖耦合到QCL波導(dǎo)中。當(dāng)泵浦脈沖被阻斷時出吹，我們觀察到隨著QCL偏置的增加遇伞，探針透射率顯著增強(qiáng)。因此捶牢，我們證實(shí)了泵浦脈沖和探針脈沖有效地耦合到QCL有源區(qū)域鸠珠。透射探頭由另一個非球面透鏡準(zhǔn)直，然后聚焦到汞鎘碲化(MCT)探測器秋麸，并使用鎖定放大器記錄渐排。檢測器前采用高消光帶通和長通濾波器，確保發(fā)射探針和可能殘留的泵浦被光譜隔離灸蟆。由于非球面透鏡的NA較大驯耻，未耦合到QCL波導(dǎo)中的雜散光未被檢測到。
圖1
首先，我們測量了1.38 um泵浦脈沖調(diào)制的中紅外探測脈沖的透射率可缚。圖2顯示了中紅外探頭透射率隨泵浦脈沖和探頭脈沖之間延遲的減小和恢復(fù)霎迫。分別測量泵在TE和TM極化時的紅、藍(lán)透射恢復(fù)曲線帘靡。兩種極化的泵浦能量為340 pJ知给。在TM和TE極化脈沖泵浦下，QCL在距離z低透射點(diǎn)3.3 ns后的中紅外透射恢復(fù)率分別為45%和50%描姚。這與先前使用1.5 eV (800 nm)更高的泵浦光子能量將電子從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶的高k態(tài)的研究不同涩赢。在這里，我們的泵浦光子只能從價帶激發(fā)電子到導(dǎo)帶的較低能級轩勘。因此筒扒，低激光能級電子占比的增加增強(qiáng)了探測脈沖的吸收。電子z終將衰變回價帶赃阀，具有典型的納秒級帶間躍遷壽命的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積霎肯。
圖2
圖2中插入的圖形顯示了當(dāng)我們改變泵浦脈沖能量時，中紅外探頭透射率(調(diào)制深度)的z大下降榛斯。利用TM極化泵观游，我們分別以86 pJ(平均功率21.5 uW)和600 pJ脈沖能量實(shí)現(xiàn)了4.3%和40%的調(diào)制深度。TM和TE極化泵的調(diào)制斜率效率分別線性擬合為0.62 nJ和0.64 nJ驮俗。由于 1.38 um泵浦光子具有比QW帶隙更高的能量懂缕，因此由于不存在偏振依賴，預(yù)計(jì)TM和TE極化泵浦脈沖都將誘導(dǎo)帶間躍遷王凑。因此搪柑，我們期望TM和TE泵都能產(chǎn)生相同的恢復(fù)壽命和調(diào)制效率。而圖2中兩種恢復(fù)曲線的微小差異可能是由實(shí)驗(yàn)不確定性引起的索烹，我們不能排除TM和TE偏振近紅外脈沖在QCL波導(dǎo)中不同模式尺寸的貢獻(xiàn)工碾。由于TE極化泵浦的模式略大，與TM極化泵浦相比百姓，TE極化泵浦與QCL波導(dǎo)的耦合效率更高渊额，與中紅外脈沖的模式重疊也更好。為了證明泵浦能量依賴的調(diào)制深度和恢復(fù)壽命垒拢，我們比較了使用不同能量(340 pJ和595 pJ) TE極化泵浦脈沖的探針恢復(fù)旬迹，如圖3所示。當(dāng)泵浦能量較強(qiáng)時求类，探針恢復(fù)速度略快奔垦。這主要是由于較強(qiáng)的泵浦產(chǎn)生的熱載流子減少了帶間躍遷壽命在這里，我們忽略了由于超低泵浦功率和低重復(fù)頻率(250 kHz)而產(chǎn)生的熱效應(yīng)的影響尸疆。
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