Lehigh的光子学和纳米电子中心的研究人员使用新的锁相技术，实现了太赫兹激光器的创纪录的高输出功率，并报告了任何单波长半导体量子级联激光器的最高辐射效率。
太赫兹激光器可能很快就会出现。太赫兹激光器发出的辐射沿电磁波谱位于微波和红外光之间，由于它们能够穿透常见的包装材料（例如塑料，织物和硬纸板），并被用于识别和检测各种电磁波，因此一直是研究的重点。化学物质和生物分子种类，甚至可以成像某些类型的生物组织而不会造成损害。实现太赫兹激光的潜力在于通过提高功率输出和光束质量来提高其强度和亮度。
现在，桑迪亚的Kumar，Jin和John L. Reno报告了太赫兹技术的另一项突破：他们已经开发出一种用于等离激元激光器的新型锁相技术，并通过使用该技术实现了太赫兹激光器的创纪录的高功率输出。他们的激光器产生了任何单波长半导体量子级联激光器最高的辐射效率。2020年6月12日在Optica上发表的论文“在单光谱模式下具有2 W输出功率的锁相太赫兹等离子体激元激光器阵列”中对这些结果进行了解释。
Kumar说：“据我们所知，太赫兹激光器的辐射效率是迄今为止任何单波长QCL所展示的最高效率，也是关于这种QCL达到50％以上的辐射效率的第一份报告。” 。“如此高的辐射效率超出了我们的期望，这也是为什么我们的激光器的输出功率显着高于以前的功率的原因之一。”
为了提高半导体激光器的光功率输出和光束质量，科学家们经常利用锁相技术，这是一种电磁控制系统，可以迫使一系列光腔在锁定步骤中发出辐射。太赫兹QCL利用带有金属涂层（覆层）的光腔来限制光，是一类被称为等离子体激光激光器的激光器，以其不良的辐射性能而臭名昭著。他们说，现有文献中可用的技术数量有限，可用于大幅提高此类等离激元激光器的辐射效率和输出功率。
Jin说：“我们的论文描述了一种新的等离子激元锁相方案，该方案与以前在半导体激光器的大量文献中对锁相激光器的研究明显不同。” “已证明的方法利用了电磁辐射的传播表面波作为等离激元光学腔相锁相的工具。通过达到太赫兹激光器的创纪录的高输出功率，与以前的工作相比增加了一个数量级，证明了该方法的有效性。”
沿腔的金属层传播但在腔的周围介质中而不是内部而不是内部传播的传播表面波是Kumar研究小组近年来开发的一种独特方法，该方法将继续为进一步开拓新的途径革新。该团队期望他们的激光器的输出功率水平可以导致激光器研究人员和应用科学家之间的合作，以开发太赫兹光谱和基于这些激光器的传感平台。
QCL技术的这项创新是Kuhigh实验室在Lehigh进行长期研究的结果。Kumar和Jin通过大约两年的设计和试验共同开发了最终实现的想法。与桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories）的里诺（Reno）博士的合作使库玛（Kumar）及其团队能够接收半导体材料，以形成用于这些激光器的量子级联光学介质。
据研究人员称，这项工作的主要创新在于光腔的设计，该腔在某种程度上与半导体材料的性能无关。他们说，Lehigh CPN 公司新获得的感应耦合等离子体（ICP）蚀刻工具在推动这些激光器的性能极限方面发挥了关键作用。
Kumar说，这项研究代表了如何开发窄光束单波长太赫兹激光器，并将在未来发展，这是一个范式转变。他补充说：“我认为太赫兹激光器的未来看起来非常光明。”
由于半导体激光器光载波的某一参数直接调制时，总会附带对其他参数的寄生振荡，如ASK直接调制伴随着相位的变化，而且调制深度也会受到限制。另外，还会遇到频率特性不平坦及张迟振荡等问题。因此，在相干光通信系统中，除FSK 可以采用直接注入电流进行频率调制外，其他都是采用外光调制方式。
外光调制是根据某些电光或声光晶体的光波传输特性随电压或声压等外界因素的变化而变化的物理现象而提出的。外光调制器主要包括三种：利用电光效应制成的电光调制器、利用声光效应制成的声光调制器和利用磁光效应制成的磁光调制器。采用以上外调制器，可以完成对光载波的振幅、频率和相位的调制。对外光调制器的研究比较广泛，如利用T1扩散LiNbO3马赫干涉仪或定向耦合式的调制器可实现ASK 调制，利用量子阱半导体相位外调制器或LiNbO3相位调制器实现PSK调制等。 在相干光通信中，激光器的频率稳定性是相当重要的。如，对于零差检测相干光通信系统来说，若激光器的频率(或波长)随工作条件的不同而发生漂移，就很难保证本振光与接收光信号之间的频率相对稳定性。外差相干光通信系统也是如此。一般外差中频选择在0。2～2 GHz之间，当光载波的波长为1。5 μm时，其频率为200 THz，中频为载频的 10-6～10-5。光载波与本振光的频率只要产生微小的变化，都将对中频产生很大的影响。因此，只有保证光载波振荡器和光本振振荡器的高频率稳定性，才能保证相干光通信系统的正常工作。
激光器的频率稳定技术主要有三种：
(1)将激光器的频率稳定在某种原子或分子的谐振频率上。在1.5μm波长上，已经利用氨、氪等气体分子实现了对半导体激光器的频率稳定；
(2) 利用光生伏特效应、锁相环技术、主激光器调频边带的方法实现稳频；
(3)利用半导体激光器工作温度的自动控制、注入电流的自动控制等方法实现稳频。 在相干光通信中，光源的频谱宽度也是非常重要的。只有保证光波的窄线宽，才能克服半导体激光器量子调幅和调频噪声对接收机灵敏度的影响，而且，其线宽越窄，由相位漂移而产生的相位噪声越小。
为了满足相干光通信对光源谱宽的要求，通常采取谱宽压缩技术。主要有两种实现方法：
(1) 注入锁模法，即利用一个以单模工作的频率稳定、谱线很窄的主激光器的光功率，注入到需要宽度压缩的从激光器，从而使从激光器保持和主激光器一致的谱线宽度、单模性及频率稳定度；
(2) 外腔反馈法。外腔反馈是将激光器的输出通过一个外部反射镜和光栅等色散元件反射回腔内，并用外腔的选模特性获得动态单模运用以及依靠外腔的高Q值压缩谱线宽度。 由于在相干光通信中，常采用密集频分复用技术。因此，光纤中的非线性效应可能使相干光通信中的某一信道的信号强度和相位受到其他信道信号的影响，而形成非线性串扰。光纤中对相干光通信可能产生影响的非线性效应包括受激拉曼散射(SRS)、受激布里渊散射(SBS)、非线性折射和四波混合。由于SRS的拉曼增益谱很宽(～10 THz)，因此当信道能量超过一定值时，多信道复用相干光通信系统中必然出现高低频率信道之间的能量转移，而形成信道间的串扰，从而使接收噪声增大，接收机灵敏度下降。SBS的阈值为几 mW，增益谱很窄，若信道功率小于一定值时，并且对信号载频设计的好，可以很容易地避免 SBS引起的串扰。但SBS 对信道功率却构成了限制。光纤中的非线性折射通过自相位调制效应而引起相位噪声，在信号功率大于10 mW 或采用光放大器进行长距离传输的相干光通信系统中要考虑这种效应。当信道间隔和光纤的色散足够小时，四波混频的相位条件可能得到满足，FWM成为系统非线性串扰的一个重要因素。FWM 是通过信道能量的减小和使信道受到干扰而构成对系统性能的限制。当信道功率低到一定值时，可避免FWM 引起对系统的影响。由于受到上述这些非线性因素的限制，采用密集频分复用的相干光通信系统的信道发射功率通常只有零点几毫瓦。
除了以上关键技术外，对于本振光和信号光之间产生的相位漂移，在接收端还可采用相位分集接收技术以消除相位噪声；为了减小本振光的相对强度噪声对系统的影响，可以采用双路平衡接收技术；零差检测中为保证本振光与信号光同步而采用的光锁相环技术，以及用于本振频率稳定的AFC等。
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