激光器|10 Gbit s?1利用单极性量子光电子技术在9μm波长下进行自由空间数据传输探测器

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江苏激光联盟导读：
比特率超过10 Gbit s?1的自由空间光学数据传输通过在室温下使用单极性量子光电系统在9μm波长下进行演示，该系统由量子级联激光器、调制器和量子级联检测器组成。这种高比特率数据传输的演示将单极性量子器件设置为开发中红外甚高频光电系统的最佳平台，用于数字通信和高分辨率光谱学等多种应用。
1介绍
单极量子光电子学(UQOs)是一组在室温下工作的中红外(λ≈4-16)μm的半导体器件，带宽可达几十GHz 。该器件利用了在技术成熟半导体的导带中形成的量子限制的2D电子态。因此它们是单极的，因为电子是唯一存在的载流子。 UQOs使光电系统实现相结合的不同器件产生复杂的功能和操作。在中红外中，这是非常受欢迎的，不仅在技术应用上，而且在解决基本物理问题上。在基础方面， UQOs器件的相干组装可以为量子测量设计独特的实验安排，例如研究量子级联激光器的非经典态发射。在这个意义上， UQOs将极大地扩展光电应用和量子光学到中红外/太赫兹(THz)区域。
在这项工作中，我们介绍了用于8–14μm大气窗口中数据传输的UQO系统的实现，该系统包括连续波（cw）量子级联（QC）激光器、外部调制器和QC检测器（图1）。与之前基于直接调制QC激光电流的研究不同，我们的系统使用高频外部调制器将数据位写入激光发射，该调制器通过将光学跃迁的吸收移入和移出激光频率来工作。该装置设计用于避免电荷位移或电子耗尽，因此与激光的直流调制相比，它具有固有的大带宽和极低的功耗。在未来，这些器件的光子集成将进一步提高其性能，并使量子技术领域在红外和太赫兹频率范围内进一步扩展成为可能。

图1 a）量子级联激光器、b）Stark调制器和c）量子级联探测器的导带剖面和相关电子状态的草图。 d）实验草图包括QC激光器、Stark调制器和QC检测器，所有这些都在室温下和相同波长下工作，即9μm（138 meV）。该激光器为商用连续波分布式反馈QC激光器（Thorlabs QD9000HHL-B）。调制器和检测器经过专门设计、制造和安装，可在高频下工作。插图显示了通过空气桥连接到共面波导的调制器的SEM图像。 e）Stark调制器的射频封装。 f）Stark调制器的光耦合几何结构示意图。该几何体符合偏振选择规则。
2系统说明和高频设备
系统如图1d所示。来自商用分布式反馈（DFB）QC激光器（图1a）的光照射在写入信息的调制器（图1b）上，该信息随后由检测器读取（图1c）。光束在调制器中的传播如图1f所示：光通过60°楔形物耦合到调制器中，以增加耦合长度并促进激光束对准。在这种几何结构中，调制器引起的插入损耗为?4分贝。为了在高频下工作，探测器和调制器被加工成台面结构，通过低电感顶部接触的空气桥与50Ω共面波导电连接。
图2a所示的频率响应在50×50μm2 QC检测器的5 GHz下几乎平坦到设备截止。有两种不同的方法被用来测量这种响应：一种是基于非线性电流-电压（I–V）特性的整流技术（紫线），另一种是通过将中红外频率梳（Menlo系统FC1500-ULN）照射到探测器上获得的直接光学测量（绿线）。光学齿之间的跳动显示为100 MHz间隔的拍音。图2b显示了以非常接近激光发射能量为中心的探测器光电流谱（绿色虚线），而面板（c）显示了光电流作为入射cw激光功率的函数。