滨松成 功开发了小型半导体光源:太赫兹 差频量子级联激光器
发布时间:2018-12-03

我司长 年开发中红外区域量子级联激光器(以下QCL:Quantum Cascade Laser)、结合了 多年积累的量子设计技术,以独创 的反交叉双重高能态结构(Anticrossed dual-upper-state, AnticrossDAUTM),在世界 上首次成功开发了室温下工作的单一芯片太赫兹波光源“太赫兹 差频量子级联激光器”。它有望 应用于科研成像,或以药 物为代表的有机物光谱分析上。

* 量子级联激光器(QCL):因其发 光层采用了特殊的量子结构,与以往 的半导体激光不同,它可以 在从中红外到远红外的特定波长区域实现高功率输出。
* 太赫兹(THz)波:THz是频率单位,是10的12次方(1万亿)Hz,频率约为1 THz的电磁波,具有电 波和光之间的中间特性,波长在300微米(μm)左右的远红外区域。



太赫兹波


<开发背景>

本新开 发产品是可以在室温下产生频率为1~5THz的太赫 兹波小型半导体光源。该半导 体光源结合了滨松多年以来积累的量子结构设计技术、采用了 发光制程完全不同于以往的反交叉双重高能态结构、为了使 之发出双波长的红外光、在晶体 内部加了衍射光栅。此外、我们通 过设计波导结构来减少太赫兹波在半导体芯片内部的吸收、从而提高了输出效率。从1个半导体芯片产生2个波长的中红外光、通过利用它们频率差、成功且 高效地实现太赫兹波的波长转换。目前,市场上销售的太赫兹QCL为了实现激光谐振,需要冷 却机来使半导体器件冷却。而我们新研发的产品,采用中红外领域的QCL波长转换的方法,实现世 上首个可在室温下就能工作的太赫兹QCL。因为不需要制冷,体积是 市场上销售产品的2000分之一、重量约为其500分之一,是目前 世界上尺寸最小的太赫兹QCL。

市场上 有销售各种各样的小型半导体光源,如谐振隧穿二极管等,但其振荡频率1THz以下的亚THz范围。与之相对,我们开 发的产品可以在高于1THz的频带 中稳定地输出太赫兹波。

与使用 传统的亚太赫兹光源相比,因为可 以显著提高分辨率,非常期 待它在文物的内部观察等学术研究类的高分辨率成像方面的应用,以及因 为可以吸收高于1THz的高频带。也期待它在药剂、爆炸物 光谱分析方面的应用。另外,由于目 前太赫兹波段可在室温下工作的探测器种类有限,且响应速度极慢,灵敏度低。因此,期待将 本产品作为标准光源,推进更 高性能的太赫兹波检测器的开发。

今后,在推进产品化的同时,我们还 将通过优化器件结构,提高太 赫兹波的提取效率,进一步增加输出,并通过 反交叉双重高能态结构扩大输出的频率范围。此外,我们在 推进各种太赫兹应用领域的研发同时,将继续 推进便携式太赫兹成像系统的发展。

<主要特点>

1.通过滨 松独特的发光层结构,实现可在室温工作,为世界首例
具有极宽的波段,采用滨 松独特的反交叉双重高能态结构,这与以 往的结构有着本质上的不同,同时在晶体 内部加了衍射光栅,使1个半导体芯片发出2个不同的中红外光,即通过 同一芯片内部的非线性光学效应将波长转换为太赫兹光。在波长转换过程中,通过使 多个量子能级发生谐振的反交叉双重高能态结构,实现了 极高的转换效率。同时在 波导结构上下功夫,减少了 半导体芯片内的太赫兹波吸收。另外,由于采 用了从中红外波段QCL的波长转换方法,无需制冷,是世界 上首个可在室温工作的太赫兹QCL。

*非线性光学效应:发生两 种入射光频率之差的光的现象
*量子能级:在原子级微观世界中,与日常世界不同,电子不 能处于自由能状态,只能以离散的方式 获取离散的能量状态,此成为量子能级。

2.世界最小的太赫兹QCL
因为可 以在室温下工作,所以不 像市场上销售的其他太赫兹QCL,需要制 冷系统在液氮温度(-196℃)进行冷却,体积减少到2000分之一,重量是500分之1,是世界 上体积最小的太赫兹QCL。

<研发背景>

由于太 赫兹波同时具有光和电波的特性,可以获 取物体内部的透射图像并检测分子相互作用,因此对 安全领域和光谱分析领域的应用给予了很大的期望。然而,需要制 冷的传统太赫兹QCL,体积巨大且价格昂贵,仅限于 在实验室中使用,因而没 能将其应用推广以及产品化。因此,开发在 室温下能稳定产生太赫兹波的小型半导体光源成为一个大的课题。

<主要规格>

项目参数单位
中心频率2~3THz
工作温度-20-30
峰值光功率100μW
外形尺寸(W x D x H)30.7 x 25.4 x7.8mm
重量10g



太赫兹差频QCL


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