Jul 09, 2023
Лазерный диод на основе ТГц
Scientific Reports, том 13, номер статьи: 13476 (2023) Цитировать эту статью 293 Доступы Метрики Подробности Терагерцовая спектроскопия во временной области (THz-TDS) стала мощным и универсальным инструментом в
Том 13 научных отчетов, номер статьи: 13476 (2023) Цитировать эту статью
293 Доступа
Подробности о метриках
Терагерцовая спектроскопия во временной области (THz-TDS) стала мощным и универсальным инструментом в различных научных областях. К ним относятся, среди прочего, визуализация, определение характеристик материала и измерение толщины слоя. Хотя ТГц-TDS добилась значительных успехов в исследовательской среде, высокая стоимость и громоздкость большинства систем препятствовали широкой коммерциализации этой технологии. Двумя основными факторами, влияющими на размер и стоимость этих систем, являются лазер и блок оптической задержки (ODU). Следовательно, наша группа сосредоточилась на разработке систем ТГц-TDS на основе компактных монолитных лазерных диодов с синхронизацией мод (MLLD). Сверхвысокая частота повторения (UHRR) MLLD имеет дополнительное преимущество: позволяет нам использовать более короткие ODU, тем самым снижая общую стоимость и размер наших систем. Однако достижение необходимой точности ODU для получения точных терагерцовых сигналов во временной области остается важнейшим аспектом. Чтобы решить эту проблему, мы разработали и усовершенствовали интерферометрическое расширение для систем UHRR-THz-TDS. Это расширение недорогое, компактное и простое в установке. В данной статье мы представляем настройку системы, само расширение и алгоритмическую процедуру восстановления оси задержки на основе интерферометрического опорного сигнала. Мы оцениваем набор данных, содержащий 10 000 трасс сигнала, и сообщаем, что стандартное отклонение измеренной терагерцовой фазы на частоте 1,6 ТГц составляет всего 3 мрад. Кроме того, мы демонстрируем оставшийся размах джиттера всего 20 фс и рекордно высокое пиковое отношение сигнал/шум 133 дБ на частоте 100 ГГц после усреднения. Метод, представленный в этой статье, позволяет упростить построение системы ТГц-TDS, уменьшая объем и стоимость. В результате это еще больше облегчает переход терагерцовых технологий от лабораторных к полевым применениям.
Терагерцевая спектроскопия во временной области (ТГц-TDS) с использованием фотопроводящих излучателей и детекторов прошла долгий путь с момента ее создания в конце 1980-х годов Фаттингером и Гришковским1,2. Технологические и системные достижения сделали ТГц-TDS мощным и универсальным инструментом экспериментальной науки3,4. Заметными вехами в повышении экономичности и удобства использования ТГц-TDS являются сдвиг длины волны возбуждающего фемтосекундного лазера в телекоммуникационный диапазон 1,55 мкм5,6,7 и внедрение первого полностью волоконного спектрометра, использующего фемтосекундный волоконный лазер8. Использование улучшенных материалов и фотопроводящих антенных конструкций позволило в обычных условиях достичь полосы пропускания до 6,5 ТГц и пикового динамического диапазона до 111 дБ9 в системах с оптоволоконной связью. Последние достижения в технологии фотопроводящих антенн увеличили полосу пропускания до 10 ТГц10. Кроме того, внедрение таких концепций, как асинхронная оптическая выборка (ASOPS)11,12,13, оптическая выборка с электронным управлением (ECOPS)14, оптическая выборка с помощью настройки резонатора (OSCAT)15 и оптическая выборка с однолазерным поляризационным управлением (SLAPCOPS) )16 позволило построить системы ТГц-TDS без механо-оптического блока задержки (ODU). Такие системы, как правило, более механически устойчивы и, что более важно, обеспечивают скорость обновления спектра до 100 000 спектров в секунду12.
Эти улучшения позволили реализовать несколько маяковых приложений в области промышленности. К ним относятся определение характеристик графена17, автомобильной краски18 и общий неразрушающий контроль (НК)19. Комплексный обзор промышленного применения терагерцового зондирования представлен в 20. Многие другие применения, включая контроль качества семян сахарных бобов21, анализ сырых масел22 и контроль качества в бумажной промышленности23, оказались осуществимыми, но пока не удалось перейти от лабораторных демонстраций к полевым. К сожалению, высокая стоимость современных ТГц-TDS-систем по-прежнему препятствует их широкому внедрению, а их большие размеры и вес исключают возможность использования по-настоящему мобильных приложений. Поскольку фемтосекундный волоконный лазер, несмотря на свою относительную компактность, по-прежнему вносит основной вклад как в размер, так и в стоимость системы, было предпринято много усилий по поиску альтернативных — предпочтительно полупроводниковых — источников света. В одной из первых работ незадолго до начала века Тани и др.24 продемонстрировали генерацию широкого терагерцового спектра путем возбуждения фотопроводящей антенны с помощью многомодового лазерного диода (MMLD). Впоследствии Морикава и др.25 продемонстрировали использование этого источника в сочетании с измерением мощности с частотным разрешением для спектроскопических приложений. Вскоре после этого они сделали новаторское открытие, что обычный спектрометр во временной области, использующий фотопроводящий эмиттер и фотопроводящий детектор, генерирует фототок, который является периодическим в области задержки26. Поскольку периодичность фототока равна обратной величине межмодового расстояния MMLD, они объяснили это взаимной корреляцией флуктуирующей интенсивности света и падающего терагерцового сигнала на фотопроводящем детекторе, таким образом введя термин «терагерцовая кросс-корреляционная спектроскопия». (ТГц-CCS). В последующие годы эта концепция была усовершенствована путем перехода от оптической системы в свободном пространстве к оптоволоконной установке27 и путем изменения длины волны возбуждения на телекоммуникационный диапазон 1550 нм28. Периодически концепцию переименовывали в «терагерцовую квазивременную спектроскопию» (THz-QTDS), и была разработана улучшенная математическая модель29. Недавно полоса пропускания системы была увеличена за счет использования MMLD с низким рабочим циклом30 и с оптической обратной связью с лазером31 соответственно. Вариант концепции ТГц-CCS с использованием суперлюминесцентного диода (SLD) в качестве безмодового полупроводникового источника света был впервые продемонстрирован Молтером и др.32, а затем более подробно изучен с помощью формирования спектра Тайбуссеком и др.33. Безмодовый характер SLD генерирует непрерывный терагерцовый спектр, так что частотное разрешение системы ограничено только длиной блока оптической задержки (ODU). Подробный обзор ТГц-CCS представлен в 34.
The MLLDs used in this work are InAs/InP QD and InGaAsP/InP QW introduced by Zander et al. 1$$ > 1 tb/s transmission. In 2019 Compound Semiconductor Week (CSW), 1–1 (IEEE, 2019)." href="/articles/s41598-023-40634-3#ref-CR42" id="ref-link-section-d82465700e3662"42. In a previously published work43 we have investigated the stability of these MLLDs at different points of operations. Based on this work, we operate the MLLDs at optimal points of operation with respect to their repetition rate stability./p>