太赫兹量子级联激光器中的强度噪声动力学

《Laser & Photonics Reviews》：Intensity Noise Dynamics in Terahertz Quantum Cascade Lasers

　　

太赫兹（terahertz, THz）量子级联激光器（quantum cascade lasers, QCLs）在传统半导体激光器难以覆盖的光谱区域提供了紧凑型相干辐射源。然而，尽管对其频率波动特性已有广泛研究，其强度波动的频率依赖特征及微观起源在很大程度上仍未得到探索。本研究利用集成在光学平台上的超快石墨烯热电纳米探测器，测量了单模、频率梳（frequency comb, FC）和谐波频率梳（harmonic frequency comb, HFC）太赫兹量子级联激光器的强度噪声功率谱密度。除了与载流子通过异质结构输运相关的显著低频（1/f）噪声外，研究人员还发现了强烈依赖于频率梳状态和主动区设计的不同高频幂律区域。谐波频率梳尽管具有增强的非线性模态动力学特性，但其平均相对强度噪声比传统频率梳低约10%。相对强度噪声（relative intensity noise, RIN）随光功率P₀按照幂律RIN ∝ P₀^?γ下降，其中γ ≈ 1.2，揭示了从自发辐射主导的波动到日益由非辐射载流子弛豫和电子-声子散射主导的机制的转变。这些结果建立了太赫兹量子级联激光器强度噪声动力学的统一图景，并表明主动区工程和频率梳状态控制为调控带间跃迁激光器的波动提供了直接途径。研究人员的发现为精密计量、相干光谱学和量子光子学领域的低噪声太赫兹源奠定了基础。

太赫兹量子级联激光器强度噪声动力学研究解读

**1. 研究背景**

量子级联激光器（quantum cascade lasers, QCLs）展现出的强度噪声特性与传统带间半导体激光器有着本质区别。其主动区由级联半导体异质结构构成，激射发生在量子化导带子带之间而非电子带隙之间。由于超快带间子带载流子动力学特性，上能级寿命通常在皮秒量级，显著短于腔光子寿命。这种快速增益恢复导致强反转钳制，抑制了传统弛豫振荡，从根本上改变了激光器的噪声动力学。近年来，QCLs的频率和强度噪声特性已被广泛研究，其中显著特征是在明显的低频1/f噪声，通常归因于电子穿过多势垒主动区的隧穿效应。与传统带间半导体激光器相比，QCLs不表现出强弛豫振荡共振峰，而是在中频区域呈现相对平坦的噪声谱。此外，超短上能级寿命使QCLs处于A类激光器状态，强烈影响其高频噪声动力学。在低频段，额外过量噪声可能来源于电流源波动、热不稳定性、机械振动以及多模运行下的模式竞争等技术性因素。这些效应在太赫兹（terahertz, THz）QCLs中尤为关键，因为更厚的主动区异质结构、更强的热负载和腔色散效应在决定激光发射的稳定性和相干性方面发挥着重要作用。在QCLs中，固有强度噪声由自发辐射、载流子通过级联结构的输运以及腔光子寿命之间的相互作用共同决定。由于每个电子在穿过主动区级联时可贡献于多个光子的产生，载流子输运中的相关性可显著抑制强度波动。尽管已有大量潜力，THz QCLs的强度噪声特性在很大程度上仍未得到探索，目前尚无实验研究报告这些器件在单模、多模或四波混频驱动的频率梳（frequency comb, FC）状态下的噪声行为。

**2. 研究内容与技术方法**

针对上述研究空白，研究人员系统地研究了工作在单模、FC和谐波频率梳（harmonic frequency comb, HFC）不同发射状态、基于不同主动区架构的THz QCLs的强度噪声功率谱密度（intensity noise power spectral density, INPSD）。测量采用集成在THz光学平台上、室温工作的最先进高灵敏度超快石墨烯热电纳米探测器完成。研究中使用了五种GaAs/Al_0.15Ga_0.85As QCL样品：样品A为均匀主动区单模器件；样品B和C基于均匀宽带主动区，分别工作在传统密集FC和八阶HFC状态；样品D和E基于非均匀主动区，分别工作在FC和八阶HFC状态。其中样品C和E通过在激光器顶电极表面图案化七个多层石墨烯散射体实现了八阶HFC运行。所有样品均采用连续波模式驱动，使用低噪声电流驱动器，安装在氦气循环低温恒温器中。实验装置采用全反射光学构型以抑制光反馈，探测器略微倾斜以避免反射辐射重新耦合进入激光腔。测量中，研究人员利用频率梳状态与主动区设计不同的样品对，系统比较了不同发射状态和主动区架构对INPSD和相对强度噪声（relative intensity noise, RIN）的影响。此外，研究人员采用半经典模型对RIN进行理论计算，将RIN分解为自发辐射相关项和非辐射载流子损耗相关项，并与实验测量结果进行对比分析。

**3. 研究结果**

**3.1 单模太赫兹QCL的强度噪声特性**

对样品A的测量结果显示，在低频区域（?1 kHz），INPSD表现出显著的1/f依赖关系，归因于电子穿过多势垒主动区的隧穿效应。与带间激光器架构预期一致，未观察到弛豫振荡峰。随着频率升高，噪声谱逐渐收敛至背景噪声底。在1–10 kHz频率范围内，RIN随光功率P₀的幂律标度参数γ从1.11 ± 0.06变化至1.35 ± 0.03，平均标度指数表明RIN随光功率增加而显著降低。与中红外QCLs的先前报道相比，这种行为表明所研究的THz QCL在强度噪声与发射光功率之间表现出不同的标度关系。通过功率律函数拟合发现，低频区域（100 Hz至约5 kHz）由1/f依赖主导，符合闪烁噪声特征，可能部分来源于与电流驱动器和电源相关的技术噪声源，同时也可能源于探测器和/或QCL中的缓慢热波动，以及QCL主动区内的电子隧穿过程。随着驱动电流增加导致光功率增大，技术噪声的相对贡献逐渐减小，表明强度波动的主要来源是QCL主动区内固有的载流子输运过程。

**3.2 THz QCL频率梳和谐波频率梳的强度噪声特性**

对基于均匀主动区的样品B（FC）和样品C（HFC）的测量结果表明，两种器件在所选驱动电流下发射的光功率相近，但INPSD均显著高于对应的散粒噪声水平，表明测得的强度波动由过量噪声贡献主导。从100 Hz到约3 kHz的低频区间，两种器件均表现出1/f依赖关系。在约3 kHz以上，INPSD向更陡的幂律依赖演化，样品B遵循约1/f^8/5，样品C遵循约1/f^3/2。这种光谱行为表明强度波动日益由激光器内部的热过程主导，包括电子温度波动、腔有效折射率的缓慢变化以及与频率梳发射集体多模动力学相关的非线性强度不稳定性。RIN比较显示，样品B在100 Hz–20 kHz范围内平均表现出比样品C低约3%的RIN。对基于非均匀主动区的样品D（FC）和样品E（HFC）的测量显示，样品D的INPSD在100 Hz–20 kHz区间内超过背景水平平均2.05倍，而样品E的激光INPSD在更宽的100 Hz至约100 kHz频率范围内仍可与背景区分。频谱拟合分析表明，样品D在100 Hz至约10 kHz遵循1/f依赖，随后向1/f^3/2演化；样品E在100至约900 Hz呈现1/f行为，在1–15 kHz范围遵循约1/f^2/5，在约15 kHz以上转变为1/f^3/2趋势。RIN分析显示，样品E比样品D平均降低约8%。结果表明高频强度噪声动力学受到激光发射状态的强烈影响。

**4. 讨论与结论**

对四种频率梳器件的系统比较揭示了几个重要发现。首先，HFC器件（样品C和E）相比各自对应的FC器件（样品B和D）表现出持续较低的INPSD值。由于样品B和C采用相同均匀主动区且具有相当的腔体尺寸，样品C中观察到的降低INPSD可归因于其频谱特性的差异，即八阶HFC状态而非规则FC。对于非均匀主动区器件也观察到类似趋势。其次，频谱特性相似的样品B和D之间的比较表明，主动区架构对INPSD具有显著影响，样品D的INPSD在100 Hz–20 kHz范围内平均比样品B高32%。这一差异主要体现在低频区域，可归因于样品D主动区设计的更高复杂性。半经典模型分析表明，在约1–5 mW光功率范围内，非辐射载流子弛豫（主要与电子-声子散射相关）主导RIN，而在较低光功率（约0.5 mW）下，自发辐射成为强度噪声的主要来源。标度指数γ随级联级数Z的增加而减小，这与理论模型预测一致，表明增加级联级数可将载流子输运分布在更多增益模块上，从而降低相对载流子密度波动。

本研究首次系统实验研究了单模、密集FC和HFC状态下THz QCLs的强度噪声动力学，揭示发射状态和主动区架构均在宽频率范围内强烈影响INPSD。特别是HFCs尽管存在增强的非线性模态相互作用，仍表现出系统性降低的RIN。RIN随P₀的幂律标度揭示了从低功率下自发辐射主导的波动到高功率下非辐射载流子损耗和电子-声子散射主导机制的转变。均质与非均质主动区的比较还表明，级联内微观输运特性在决定THz QCLs低频噪声特性中发挥核心作用。这些结果确立了主动区工程和频率梳运行作为控制THz QCLs强度噪声的有效策略，为精密计量、相干光谱学、自由空间通信和新兴量子密钥分发光子技术领域的低噪声THz源开发奠定了基础。