激光技术推动太赫兹光导源技术的发展

2009/1/12/08:40 来源：生意社

     目前，应用在太赫兹领域的光导开关和光混频技术已经实现了商业化，并且随着光导材料和超快激光器的发展，这两项技术正在不断进步。  

    随着全球光纤通信市场的增长，近红外半导体激光器和光纤激光器的性能在不断改善，并且价格持续下降。目前输出波长在780～1550nm之间的商用单纵模半导体激光器，其输出功率高达100mW，已经可以满足应用在太赫兹领域的光混频器对时间和空间的相干性要求。随着掺铒光纤放大器和光纤耦合非线性光学技术的进步，波长为800nm的锁模激光器的平均输出功率已高达10mW，峰值功率已经超过1kW，因此其也能满足应用在太赫兹领域的光混频器对时间相干性和输出功率的要求。  

    近年来，太赫兹技术发展势头迅猛。生物学和化学领域新现象（如分子吸收表征）的不断涌现、新型固体激光器（如量子级联激光器）的不断进步、适时系统（如对隐蔽对象进行成像和对爆炸物进行检测）的广泛应用，均推动了太赫兹技术的进步。目前，太赫兹仍然是整个电磁频谱中最具挑战性的波段，其中一个重要的原因是缺乏宽带、价格适中、室温工作的太赫兹器件。  

    超快光导器件是太赫兹技术发展进程中最具代表性的成果。目前，光导开关（PC开关）已经成为宽带太赫兹辐射源的首选器件，主要应用在低分辨率光谱和成像领域。20世纪90年代，David H. Auston利用低温生长砷化镓（GaAs）技术将PC开关推向了一个全新的阶段，为PC开关的发展做出了开创性的贡献。[1,2] 相对PC开关而言，光导混频器的应用范围则较为狭窄，但它却在连续波单频输出和宽带可调谐领域扮演着重要角色，如高分辨率光谱仪和可调谐本地振荡器。低输出功率是光导器件的主要缺点，PC开关的输出功率小于100礧，光混频器的输出功率则更低，只有1礧。随着商业激光器和光导器件的技术进步，以光导器件为基础的太赫兹系统的成本正在不断下降。  

    太赫兹光导材料  

    过去十年，研究人员对“缺陷工程”半导体表现出浓厚的兴趣，因为它的亚皮秒光载流子复合特性和高击穿电场特性有望应用在太赫兹光混频器和快速PC开关上。目前业界对“缺陷工程”半导体的研究主要集中在两个方面：低温生长GaAs技术和过量的砷沉积对器件性能的影响。[3] 研究人员已经开发出一种新型复合半金属-半导体纳米粒子的室温生长技术。利用该项技术在GaAs上生长薄层砷化铒（ErAs），进而形成盘状ErAs纳米粒子，该粒子具有与低温生长GaAs相同的亚皮秒寿命。[4] 目前太赫兹光混频器的输出功率已经获得了极大的提高，特别是在1THz以上的频段。  

    光混频器的功率谱可以用形态学、能带结构、半金属-半导体纳米粒子的半经典输运理论进行解释。透射电子显微图和已有的研究均表明，ErAs层在生长中将分化成独立的ErAs纳米粒子，这些纳米粒子相比典型的GaAs点缺陷尺寸更大。例如，在630℃时，ErAs层分化成高度为0.9～1.2nm、横向尺寸长达10nm的ErAs纳米粒子。  

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