行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
光電式同調連續波 THz 輻射束及其應用之研究(3/3)
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC93-2215-E-009-008- 執行期間： 93 年 08 月 01 日至 94 年 07 月 31 日 執行單位： 國立交通大學光電工程學系(所) 計畫主持人： 潘犀靈 報告類型： 完整報告 報告附件： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 94 年 10 月 31 日
一．前言：
有鑒於高效率,寬頻可調之連續波 THz 輻射器已成為下一世代 THz 感側,通訊, 顯像等應用不可或缺的前瞻組件, 最近連續波的 THz 半導體雷射已被報導, 但仍 需工作在液態氮的溫度[1],用光導產生 CW THz 已有一些報導[2~3],其機制為雙 波長激發光導天線,藉由雙波長的拍頻調變光電流,產生拍頻的 CW THz 輻射, 我 們將建立一個緊緻(~幾公分見方大小)室溫狀態下同調 THz 輻射源與偵測器, 預 期輸出輻射功率達1mW 等級, 可調頻寬達 10THz. 輻射之同調長度與線寬成反 比. 然而並沒有人提到如何來最佳化同調長度,因此,我們藉由改變光導天線的材 料參數(例如載子生命期等)分析模擬產生 CW THz 的大小與同調長度.二．工作進度:
在第一年計劃中,我們已初步完成雙波長雷射系統之架設,THz 輻射源的部分 也幾乎完成而正在測試輻射特性, THz 輻射偵測器(bolometer)與干涉儀也正在架 設與測試中. 在第二年計劃中, 我們已完成了利用雙波長半導體雷射(工作在 780nm 附近),在光導天線上拍頻產生自由空間輻射的 CW THz 輻射,並且由自組的 Martin-Puplett 干涉儀,量得同調長度約 100cm,對應到 CW THz 輻射線寬約 250MHz,與雙波長的拍頻擾動量吻合. 第三年我們則利用橫模較佳的 830nm 雙波 長半導體雷射機發光導天線, 並藉由改變光導天線的材料參數(例如載子生命期 等)分析模擬產生 CW THz 的大小與同調長度.第一年
1. 雙波長雷射系統
我們將採用光激發的方式產生THz 輻射. 為了產生連續波窄頻(~<1GHz) 可調(0~幾個 THz)之 THz 輻射源, 我們需要建立一個緊緻且連續波雙波長可調 的雷射系統來激發. 並以光混頻的機制來產生 THz 輻射.而此雙波長雷射亦需 有夠高的功率,頻率穩定,高同調性(窄頻寬),寬的波長調整範圍等特性 因此我們找了兩顆DBR 雷射, 波長約在 785nm，最高功率為 50mW(圖一 (a),(b))。圖一(a). LD 1 的 L-I curve 圖一(b).LD 2 的 L-I curve
此兩顆雷射的線寬從Fabry-Perot 的量測，可知約為 38.6MHz 及 26.5MHz(圖二 (a),(b))。而兩顆雷射間的頻率相對漂移量約為±50MHz。而經過穩頻後, 可達約± 10MHz. 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 10 20 30 40 50 60 Po w e r( m W ) Current(mA) LD2 ps02600 Ith=39.27mA 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 10 20 30 40 50 60 Pow e r( m W ) Current(mA) LD 1 ps02600 Ith=35.1mA
圖二(a).LD 1 的 F-P 量測 圖二(b). LD 2 的 F-P 量測 利用控制雷射的操作溫度及電流，可以微調兩顆雷射的中心波長(圖三 (a),(b),(c),(d))，當電流操作在約 130mA，溫度約在 19℃ 時，兩顆雷射的波長差 可調範圍約為0~2nm。 圖三(a).改變電流看波長漂移量 圖三(b).改變溫度看波長漂移量 圖三(c).改變電流看波長漂移量 圖三(d).改變溫度看波長漂移量 兩顆雷射的架法如圖四所示，將兩顆雷射由40X 的物鏡聚焦後，再經過光 束阻隔器防止反射，及用半波片使得光打到分光片時偏振方向一樣。 110 115 120 125 130 135 140 145 150 788.15 788.20 788.25 788.30 788.35 788.40 788.45 W a v e le ngt h( nm ) Current(mA) LD1 ps02600 T=200 C 0.007nm/mA 19.0 19.5 20.0 20.5 21.0 788.32 788.34 788.36 788.38 788.40 788.42 Wa v e le n g th (n m) T(0C) LD1 ps02600 I=140mA 0.04476nm/0C 19 20 21 22 23 24 25 26 787.30 787.35 787.40 787.45 787.50 787.55 787.60 787.65 W a v e le n g th (n m ) T(0 C) LD2 ps02600 I=135mA 0.05376nm/0 C 120 125 130 135 140 145 785.94 785.96 785.98 786.00 786.02 786.04 786.06 W avel en g th (n m ) Current(mA) LD2 ps02600 T=200 C 0.00388nm/mA 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016 0 2 4 6 8 10 12 A m p litu d e (a .u .) Scan Time(s) LD 1 FSR=2GHz δν=38.6MHz 0 1000 2000 3000 4000 5000 -0.16 -0.14 -0.12 -0.10 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0.00 A m p litu d e (a .u .) Scan Time (s) LD 2 FSR=2GHz δν=24.5MHz
圖四.雷射光源的架設裝置圖 因此我們已建立雙波長雷射系統並檢查產生頻率可調THz 輻射產生與量測系 統。實驗所用的雷射功率約50mW，頻寬約 20~30MHz，以調整溫度或電流的 方法,預期可調的雙波長差約 0~2nm 相當於 0~1THz. 此種架構已可初步拿來 產生CW THz 輻射.
2. THz Photomixer 的研製
在THz 輻射產生器方面, 我們將如上的雙波長雷射打入光導元件(THz photomixer), 產生混頻之 THz 頻率電流, 並藉天線結構輻射到自由空間. 我們將 研究兩種THz 輻射器:一種是著重在 THz 頻寬的光偵測器上(type I), 一種是著重 在輻射架構上(type I).2a. Type I THz photomixer:
我們將製作半導體-金屬-半導體 行進波光偵測器(MSM TWPD) 與 slot antenna 結合的微米 THz 輻射產生元件, 因 MSM TWPD 之吸收深度深(因為是側 向激發)有偵測效率高,頻寬寬等優點, MSM TWPD 的結構如圖五所示:
CPW line
Flared out
(a) (b)
圖五 MSM TWPD 之(a)側視與(b)俯視圖 3 µm 1 µm S. I. GaAs Undoped Al0.7Ga0.3As GaAs:As+:H+ Undoped Al0.3Ga0.7As 0.4 µm Undoped Al0.2Ga0.8As Undoped AlAs 10 nm 0.5 µm CPW LD1 40X isolator λ/2 λ/2 isolator 40X LD1 Beam splitter因質子質量教輕,可打入較深的區域, 增加超短生命期載子的深度, 改善只有用
砷離子佈值做TWPD 層度較薄的問題. 接著即可送到台大做元件, 然後再與 slot
antenna 結合做成 THz 輻射源
而台大亦做同上的元件結構, 但最上層 0.5um 改為 LT- GaAs. 已完成 MSM TWPD 結構, 並與 slot antenna 結合,成為一個 THz emitter,結構如圖六所示
圖六 結合 MSM TWPD 與 slot antenna 之高效率 THz 輻射源 接下來就要用我們的雙波長雷射激發此元件,觀察產生 THz 輻射之特性,並可用光 纖通訊波段(~1550nm)為激發光源, 將來將通訊光源與 MSM-TWPD 用半導體製 成做在一起,形成一個更緊緻的 CW THz 輻射源系統
2b. Type II THz photomixer:
第二種光混頻器為一般的THz 光導輻射器. 我們將製作超高頻寬,高輻射增益的dipole antenna , sharp and laterally offset electrode antenna 與 bow tie antenna , 結構 如圖七所示:
(a)
(b)
圖七 (a) sharp and laterally offset electrode dipole 與 (b) bow tie 之天線結構 我們設計以上的天線結構, gap~5um, 天線長度 30um, 雙波長雷射光強聚焦(用 40 倍物鏡)在正極附近使其效率提高. 基版材料仍為砷離子加質子之離子佈值砷化 鎵. 如今材料已完成, 剩下做元件部分. 如果完成將可產生高功率的 THz 輻射
3a Bolometer
在偵測元件特性方面, 我們為了量測元件光激發後產生的 THz 輻射功率, 已購買 一個熱偵測器(Composite Si Bolometer),示意圖如圖八 (a) (b)(c)
圖八 Composite Si Bolometer 示意圖(a) 側視圖,(b)俯視圖, (c)實體照片 實體照片(右)中下面白色孔為偵測器之 Teflon window. 此偵測器規格為: 頻率響應:2um~5000um (Ù0.06THz~150THz), 需工作溫 度:0.3K~4.2K. 增益(gain):1.6x10-5 W/K, 組抗:10M ohm, 靈敏度:S=2.5x105 V/W, 雜訊功率(NEP)=1.23x10-13 W/Hz1/2, 目前經測試結果發現在抽真空時有漏氣的現象, 已測漏儀檢測發現上圖(c)箭頭 所指處有漏氣,因此叫廠商換一個, 現在貨已到,正在測試中. 如果完成真空測試 後,進一步灌液氦與液氮冷卻偵測器溫度到 4.2K,即可測量 THz 輻射之功率
3b. FTIR
為了量測高同調性的THz 輻射波形以及實現材料的全譜量測, 我們將架設一個 以Martin-Puplett 偏振式干涉儀為基本架構的傅立業轉換遠紅外光譜儀(FTIR), 系統如圖九所示:Leakage
圖九 傅立業轉換遠紅外光譜儀(FTIR) THz 輻射干涉儀系統 (Martin Puplett 架 構)
其規格為: 頻寬由 wire grid beam splitter 線距 12.5um 限制, =>60GHz~18THz. 解 析度由移動平台總長決定: 30cm=>500MHz, (而移動平台一步距 5um=>可達 30THz 之頻寬) 目前大致上的組件都已具備, 正在架設當中. 完成後將可直接量測 THz 的頻譜及 一些在THz 波段材料的分子光譜(因 THz 頻寬夠窄)
4. CW THz 量測與應用
我們實驗室本已有一套同調墊光量測系統來偵測寬頻THz 輻射, 我們將先 用此系統來量測雙波長混頻後的THz 輻射訊號. THz 產生量測系統的架構如圖十 所示，將雷射光經過PBS 後分成兩束，激發光束通過一個 delay stage 後，打到天線上，天線所發出的THz 經過聚焦後打到 ZnTe 晶體上，再用另一束 probe beam
探測，之後再分成兩束由balance detector 接收，再接到 lock-in amplifier 讀取數 據。
Moving roof mirror Chopper Parabolic mirror Wire Grid Beam splitter Dewar Bolometer Computer Output To motor To encoder Lock-in amplifier
Fixed roof mirror
From chopper Input Reference Wire Grid Beam splitter Photomixer
圖十.THz 產生量測 系統的架構圖 首先讓光源打進THz 產生量測系統，並把天線拿掉，直接讓兩束光束打到 balance detector，量測這兩顆雷射的相干長度，圖十一(a)是這兩顆雷射的光譜 圖，波長差0.24nm(相當於 0.117THz)，圖十一(b)是所量到的干涉圖形，fit 出來 的結果週期是0.117THz，與光譜儀的計算結果相等。 圖十一(a).兩顆雷射的光譜圖 圖十一(b).量測到的干涉條紋 若將干涉條紋經過富利葉轉換後，可以看到所對應的頻譜，從圖十一(c)中 可以看到其頻寬約19.3GHz，會這麼寬是因為所取的干涉條紋太短，所以解析度 不夠(約 16GHz)。 782 783 784 785 786 -40 -30 -20 -10 0 10 0 2 4 6 8 10 784.42566 784.66614 δλ=0.2405nm P o we r (d B m ) Wavelength (nm) -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 -0.06 -0.04 -0.02 0.00 0.02 0.04 0.06 A m pli tude ( a .u .) Delay time (ps) Fitting formula: y=A*Sin(π(X-Xc)/W) A=0.045 Xc=1.927 W=4.246 =>f=0.1177THz
λ/2
PBS
ZnTe
λ/4
PBS
Balance detector Polarizer λ/2antenna
圖十一(c) 將干涉條紋做 FFT 之後的結果 因為目前設備能推的最大長度只有約50mm(解析度 6GHz)，所以在這範圍 內，所看到的干涉條紋如圖十二所示，其富利葉轉換後所看到的頻寬為 9.66GHz，由干涉條紋可知，這兩顆雷射的同調長度超過 50mm。 圖十二(a).兩顆雷射的干涉條紋 圖十二(b).將干涉條紋 FFT 的結果 將兩雷射光波長差調到很接近後，打到天線，觀察天線上所產生光混頻的電
訊號，實驗所用的天線是砷離子佈值砷化鎵光導dipole antenna，gap 是 5um，將
其光電流訊號直接接到頻譜分析儀來觀察，其光混頻的訊號如圖十三所示，因為 此時雷射系統沒有穩頻的設計，所以光混頻的訊號跳動的很快，但是這些變化對 THz 而言只是千分之一的變化，穩定性還算好。 0.0 0.5 1.0 1.5 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.11713 Frequency (THz) Ampl itude(a.u. ) -2000 -1000 0 1000 0 δυ1/2=19.3GHz Frequency (THz) Angl e(deg) -180-160-140-120-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 A m p li tude ( a .u ) Scan Time (ps) 0.5 1.0 1.5 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 4 0.31039 0.62957 δυ1/2=9.66GHz Frequency (THz) A m pl it ude ( a .u .) -4000 -2000 0 2000 4000 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 Frequency (THz) A ngl e( deg )
圖十三.經過天線的 beating 訊號 因此我們已成功的利用干涉的方法量測到雙波長之干涉的圖形，可調到約 1THz。在移動 50mm(解析度~6GHz)的範圍內，看到干涉條紋的 modulation depth 沒有下降的趨勢，所以此兩顆雷射的同調長度遠大於50mm。而由較低頻的光混 頻訊號也可藉由量測天線上的光電流得知，訊號約比雜訊(SMSR)高 20dB。我們 確定有混頻訊號後,接著即將由量測系統觀察混頻電流經天線所輻射出來的 THz 波形或頻譜。並作為CW THz 輻射源診斷材料之介電係數與吸收係數在此頻率之 特性. 總之我們現階段已初步完成雙波長淚射系統之架設,THz 輻射源的部分也幾乎完 成而正在測試輻射特性, THz 偵測器(bolometer)與干涉儀也正在架設與測試中. 進度還算在掌控中.
第二年
1.輻射量測系統
由於CW THz 輻射功率比脈衝 THz 輻射小了將近 4 個數量及以上,因此我 們採用Martin-Puplett 干涉儀來偵測 CW THz 輻射的波形與強度. 900 1000 1100 1200 1300 1400 -74 -72 -70 -68 -66 -64 -62 -60 -58 -56 -54 -52 -50 Beating signal Po w e r ( d Bm ) Frequency (MHz)圖一 Martin-Puplett 干涉儀系統實體圖
圖一為架好的Martin-Puplett 干涉儀系統實體圖. 包含了天線,輻射干涉系統
與Bolometer 輻射偵測器. 由於 SI GaAs 有比 LT-GaAs 等較好的 mobility, 且較易 製備, 而蝴蝶結(bow-tie) 型的天線有較好的輻射效率, 因此我們以 SI-GaAs 製成 Bow-tie 天線,先以 100fs, 50mW 脈衝雷射激發此天線產生脈衝式的寬頻 THz 輻 射來測試此系統, 量測之輻射波形與頻譜結果如圖二所示, 中心頻率為 0.43THz, 半高寬約波形相當對稱,其 S/N 可到超過 1000. -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 0 10 20 30 40 50 Delay time (ps) R e la tiv e a m p litu d e (m V ) 0 2 4 6 8 10 1E-3 0.01 0.1 10.46852 Frequency (THz) Am plitude (a.u.) 圖二 (a) 脈衝式 THz 輻射干涉圖 (b) 脈衝式 THz 輻射頻譜圖
2. CW THz 輻射量測
因此利用我們在第一年架好的雙波長雷射來激發天線即可產生CW THz 輻射. 將兩顆單獨的 DBR 半導體雷射,工作波長在 785nm 附近. 將約 20mW 的總 功率輸出至天線, 並控制兩者在天線前空間模的吻合與水平偏振, 使兩個不同波 長的雷射產生的連續波THz 效率最高. 由於我們量測連續波的波形, 頻率解析 度是一個很重要的參數, 解析度高意味著需要量測較長程的波形, 而長時間的量 測便會有長程的頻率飄移,此相對頻率漂移量更是決定了輸出 CW THz 輻射頻域 上的的線寬. 我們以 Fabry-Perot 干涉儀量得其在 3 小時內最大頻率飄移量只有 約250MHz,(如圖三所示) ,可知解析度最小可以到這個值. 而同調性更 CW THz 輻射的一個重要參數, 其決定了 CW THz 輻射的頻域線寬或純度. 因此需要量測 其同調長度, 並須量測其長程的波形. -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 -300 -200 -100 0 100 200 300 R e la tiv e Fr e q u e nc y s h ift (M H z )
Time delay (min)
圖三 在 3 小時長時間內量測兩顆半導體雷射相對頻率飄移量 藉由控制兩顆DBR 半導體雷射的溫度與電流, 最大波長差可調至將近 2nm (即 1THz).以不同的波長差(即不同的頻率差)激發圖四(a)的天線. 利用不同波長 在天線上做差頻,可產生各種不同強度的 CW THz 輻射, 而得到如圖四(b)的天線 頻率響應圖. 可看出此天線頻率響應最高大約在 0.32THz. 其 3dB 頻寬約 400GHz. 圖四 (a) Bow-tie 天線尺寸示意圖 (b)雙波長雷射在天線所得頻率響應 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 0.1 1 P o w e r (a .u .) Frequency (THz) Gap:10um Length: 1mm
因此我們將兩顆雷射波長差定在約0.66nm (即 0.32THz), 其輸出光譜如圖五 所示. 激發天線之總功率約 20mW. 激發天線產生 CW THz, 並經 Martin-Puplett 干涉儀系統量得CW THz 輻射波形與頻譜分別如圖六(a)與(b)所示. 量測波形總 長約420mm, 相當於頻率解析度約 0.8GHz. 778 780 782 784 786 788 790 -50 -40 -30 -20 -10 0 Po we r (d B m ) Wavelength (nm) δλ=0.66 nm 圖五 兩顆雷射之輸出光譜圖 0 100 200 300 400 500 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 15.0 17.5 20.0 22.5 25.0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 Po we r (a .u .) Path difference (mm) A m p litu d e (m V ) Path difference (mm) 圖六 (a) CW THz 輻射波形. 附圖為細部的波形, 紅色線為模擬的正旋函數曲線
0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Peak: 0.32 THz
δυ~3 GHz
Frequency (THz)
In
te
n
s
it
y
(
a
.u
.)
圖六 (b) CW THz 輻射頻譜 其中,圖六(a)附圖為細部的波形,紅色線為模擬的正旋函數曲線, 實驗點為黑 色空心圓圈, 可看出實驗與理論上的模擬曲線十分吻合. 而將所量得之 CW THz 輻射波形做富氏轉換後的頻譜, 其中心頻率為 0.32THz,而頻寬約為 3GHz. 然而 此頻寬並非CW THz 輻射真正的頻寬, 因為在長程的掃描下, 越後面則訊號較小, 導致雜訊變大使得輻射波形越不準. 不過我們可以藉由同調長度來推出真正的 頻寬. 由圖六(a)可看出波形大小隨距離的增長而變小, 亦即同調性降低. 由干涉 理論可知干涉訊號為以下公式: )] ( Re 1 [ ) ( 2 ) , ( τ > = < > + γ τ <Id t t I t t(1) 其中
∫
∫
∞ ∞ − ∞ ∞ − − ≡ ω ω ω ω τ γ ωτ d I e I d i ) ( ) ( Re ) ( 同調時間為:∫
∫
∞ ∞ ∞ − = ≡ 0 2 2 ) ( 2 ) (τ τ γ τ τ γ τc d d(2) 同調長度為: c c c l ≡ τ
(3) 我們假設CW THz 輻射頻譜為: 2 0) ( ) ( δω ω ω ω = e− − I
(4)
13 0 100 200 300 400 500 mm 0 0.5 1 1.5 2 e d u t i l p m A 圖七 模擬的 CW THz 干涉圖 模擬出CW THz 輻射波形如圖七所示,與實驗比較得知我們 CW THz 輻射的同調 長度約100cm, 對應的頻譜線寬約為 250MHz, 與兩個雷射的頻率擾動所造成的 頻譜拉寬吻合(~250MHz) 總之, 我們已經成功的利用兩顆獨立的 DBR 半導體雷射架設出一個雙波長 雷射系統，總系統面積只有50 cm2，搬移方便。它的最大輸出功率約25 mW， 波長差可調範圍為2 nm，而且長時間的相對頻率漂移量小於 300 MHz。我們使 用Martin-Puplett 偏振式干涉儀和輻射熱偵測器，來量測由做在半絕緣性砷化鎵 基板上的蝴蝶結式(Bow-tie)天線產生的連續波(CW)THz 的同調性。此天線的間 隙是10um，長度是 1mm。量測到的連續波 THz 同調長度約為 100 公分，線寬 相當於250 MHz，與雙波長雷射系統所量測到的頻率漂移量相符。若是再對雙波 長雷射系統做穩頻的控制，及配合上 THz Fabry-Perot 系統，相信所產生的連續 波THz 線寬可以小到數十 MHz 到數百 KHz。此窄頻寬的 THz 輻射可以用在光 譜學或是成像上，可以得到較高的解析度。
第三年
1.輻射量測系統
與第二年相同2. CW THz 輻射量測
由於CW THz 是這雙波長雷射打到天線所產生，故雙波長雷射的模態是否 互相符合是非常重要的。因為PS025-00 830nm 雷射二極體的模態比較圓，所以 我們改用它來當我們產生CW THz 的光源, 圖一(a) (b)為此 LD1 與 LD2 的 L-I curve 5 10 15 20 25 30 35 40 Pow e r ( m W ) LD1 5 10 15 20 25 30 35 P o wer (m W ) LD2圖一(a)、LD1 的 L-I curve 圖一 (b)、LD2 的 L-I curve 此兩顆雷射的線寬從Fabry-Perot 的量測，可知約為 50MHz 及 44MHz(圖二 (a),(b))。 圖二(a)LD 1 的 F-P 量測 圖二(b)LD 2 的 F-P 量測 利用控制雷射的操作溫度及電流，可以微調兩顆雷射的中心波長，如圖三(a)， (b)，(c)，(d)。 圖三(a)改變電流波長漂移量 圖三(b)改變溫度波長漂移量 -0.010 -0.005 0.000 0 2 4 a m pl itu de(a. u. ) scan time(s) LD1 linewidth 50MHz FSR=2GHz -0.010 -0.005 0.000 0 2 4 am plit ud e (a. u .) scan time(s) LD2 linewidth 44MHz FSR=2GHz 85 90 95 100 105 110 835.96 835.98 836.00 836.02 836.04 W a v e le ng th ( n m ) Current (mA) LD1 T=19? C 0.00395nm/mA 19.0 19.5 20.0 20.5 21.0 836.06 836.08 836.10 836.12 836.14 836.16 836.18 W a v e le ngt h ( n m) T(?C) LD1 I=106.6mA 0.0525nm/?C 835.38 835.40 835.42 835.44 835.46 835.48 W a v e lengt h (nm) LD2 T=19?C 0.00381nm/mA 835.48 835.50 835.52 835.54 835.56 835.58 W a v e leng th ( n m ) LD2 I=108.6mA 0.048nm/?C
圖三(c)改變電流波長漂移量 圖三(d)改變溫度波長漂移量 因此我們利用此雙波長架設如圖四(a)所示, 雙波長差同樣調在 0.66nm,(如圖 四(b)所示) 由於中心波長的不同,因此產生出來的拍頻也不同(~0.26THz).此雙波 長雷射輸出波長約 830nm, 功率約 40mW, 可調範圍約 2nm, 雷射各別線寬約 30MHz. 天線材料為 SI GaAs, 天線結構為 bow-tie (與第二年相同), 產生的輻射 經由干涉儀與熱偵測器(如圖五所示)進行量測. LD2 LD1 isolator isolator PBS PBS /2 λ /2 λ/2 λ/2 λ/2 λ /2 λ 828 830 832 834 836 838 840 -50 -40 -30 -20 -10 0 pow er (d Bm) wavelength (nm) δλ=0.66nm (a) (b) 圖四 (a) 雙波長半導體雷射系統 (b)此雷射之頻譜 (調到波長差約 0.66nm) Bolometer 圖五 自組之 Martin-Puplett 遠紅外干涉儀 0 50 100 150 200 250 -0.00008 -0.00004 0.00000 0.00004 0.00008 0.00012 A m pli tud e ( a .u .) Time delay (ps) 0 2 0.00000 0.00001 0.00002 0.00003 0.00004 0.2587THz Ampl it ude 0 2 -1000 -500 0 500 Frequency (Hz) Ang le(deg )
(a) (b) 圖六 (a) CW THz 輻射波型與其(b)快速富氏轉換頻譜 量測的CW THz 輻射波型與富氏轉換頻譜如圖六所示, 中心頻率約 0.2587THz. 與雙波長的波長差相符. 理論上,我們假設雙波長雷射的功率頻譜為高斯分佈, 並假設此兩顆半導體 雷射的線寬都一樣δw. ( ) exp[ ( ) /2 2]/ 2 i I ω= − −w wi δw δw 那麼,我們可以由反富氏轉換與時 域的拍頻訊號I(t)(式 1)得到在光導天線上的時域的電場分佈 Ei(t). 2 1 2 1 2 ( ( ) ) 2 1 2 1 2 ( ) ( ( ) ( ))( ( ) ( )) t i w w t w * ( iw t iw t) I t = E t +E t E t +E t ∗ =e − + −δ e +e （1） I(t) 的富氏轉換為 I(ω).由光電流遽增效應與歐姆定律 (式 2 , 3), THz 輻射正 比於天線上光電流的一階微分 ( ) 0 1 , ( ) 2 4 A d E r t J t ra d z d t c πε ≅ − v v v （2） ( ) ( ) J t = n t qµE （3） 載子動態分佈如式4 所示 ( )(1 ) ( ) beat ( ) c I t R dn t n t dt hν τ − = − （4） 我們由式4 的富氏轉換代入頻域 E(t) and J(t) 解出 N(ω), 電場的頻域分不可解出 如式5 所示 2 2 2(1 2 )2 ( 1 2 )2 ( 1 2 )2 2 2 2 2 2 4 2 2 ( 1 2 ) 4 2 2 (2 ) ( ) 1 2 (1 ) w w w w w w w w w w w w w w w w THz e e e e E w w w δ δ δ δ δ τ − + − + − + − − + + + ∝ + （5） 我們畫出對不同材料的載子生命期下的THz 輻射頻譜如圖七(a)所示. 結果 此輻射場的線寬仍然是一樣的, 也就是說無論是何種材料,輻射的同調長度都一 樣. 經計算後, CW THz 的輻射線寬約 84.68MHz, 對應於同調長度約 350cm. 而我們量側到的同調長度約100cm. 比理論為短的同調長度是由於實驗上雙波 長的頻率繞動(250MHz)所造成. 我們以 250MHz 來計算同調長度, 則與我們所 預估100cm 的同調長度相符. 在圖七(a) 我們可以明顯的看到隨著載子生命期的 增加而CW THz 輻射振幅呈現飽和的現象.這個現象在圖七(b)中更明顯. 在式 5 中 輻射振幅大小的飽和式來自於輻射的中心頻率與光導天線的載子生命期. 當 光導天線的載子生命其大於10 ps 以上, 則連續波兆赫輻射的振幅即達飽和, 它 也同時驗證了LT-GaAs (載子生命期小於 10ps)的輻射行為.
2.98E+011 3.00E+011 3.02E+011 0.00E+000 1.00E-009 2.00E-009 3.00E-009 4.00E-009 5.00E-009 δω=84.58MHz A m pl it u d e (a .u. ) lifetime=100ps lifetime=10ps lifetime=1ps 0 20 40 60 80 100 0.00E+000 5.00E-010 1.00E-009 1.50E-009 2.00E-009 2.50E-009 Peak amp lit ud e (a. u .) δω=300MHz
(a) (b) 圖七 連續波兆赫輻射隨載子生命期之(a)模擬頻譜與(b)模擬尖峰振幅圖
3. 高功率 CW THz 輻射量測
我們今年買了兩個高功率的半導體雷射,最高功率約可至 150mW, 波長在 827nm 附近. 圖八 光導取樣連續波兆赫輻射產生與偵測之系統圖 將這兩個雷射放在之前的雙波長雷射系統, 因為這輸出功率較高,因此我們 捨棄較昂貴的 Bolometer 偵測器,利用實驗室現有之光導天線產生與偵測兆赫時 域頻譜量測系統, 觀察產生的 CW THz 輻射,系統如圖八所示. 將波長差調在約 0.825nm, 經計算得知其頻率約為 0.375THz. 其量測到的波形如圖九(a)所示,經富 氏 轉 換 後 看 到 的 頻 譜 如 圖 九(b) 所 示 , 與 模 擬 計 算 雙 波 長 差 所 得 到 的 頻 率 (0.375THz)幾乎吻合,可知我們已可由光導系統量得 CW THz 的輻射訊號. 雖然 訊號不夠好,但藉由訊號最佳化, 仍有改善的空間. 因此我們即可以捨棄昂貴的 偵測系統而達到便宜與緊緻的連續波兆赫輻射與產生系統. 0 5 10 15 20 25 30 35 -8.0x10-8 0.0 8.0x10-8 Experimental data Simulation curve (0.38THz) λ~0.827µm,∆λ=0.856nm, A m p lit u d e (a .u .) Time delay (ps) 0 1 2 3 4 5 6 7 0.0 5.0x10-9 1.0x10-8 1.5x10-8 2.0x10-8 2.5x10-8 λ~0.827µm,∆λ=0.856nm, ∆ν=(∆λ)(c/λ2 )=0.375THz 0.38THz A m p litu d e (a .u .) Frequency (THz) (a) (b) 圖九 光導取樣連續波兆赫輻射(a)波型與快速富利葉轉換後的頻譜圖三. 結論
在第一年計劃中,我們已初步完成雙波長雷射系統之架設,THz 輻射源的部分 也幾乎完成而正在測試輻射特性, THz 輻射偵測器(bolometer)與干涉儀也正在架 設與測試中. 在第二年計劃中, 我們已完成了利用雙波長半導體雷射(工作在780nm 附近),在光導天線上拍頻產生自由空間輻射的 CW THz 輻射,並且由自組的 Martin-Puplett 干涉儀,量得同調長度約 100cm,對應到 CW THz 輻射線寬約 250MHz,與雙波長的拍頻擾動量吻合. 第三年我們則利用橫模較佳的 830nm 雙波 長半導體雷射機發光導天線, 並藉由改變光導天線的材料參數(例如載子生命期 等)分析模擬產生 CW THz 的大小與同調長度.從我們模擬的結果可知連續波兆赫 輻射的同調長度與光導天線之載子生命期無關, 同時驗證了兆赫輻射振幅隨著 生命期增加而飽和的趨勢. 最後我門也以光導產生與偵測系統量到了由高功率 雙波長雷射的拍頻產生出來的窄頻連續波THz 輻射(頻率~0.38THz).
四. 參考資料
[1] Rü deger Kő hler, Alessandro Tredicucci, Fabio Beltram,Harvey E. Beere, Edmund H. Linfield, A. Giles Davies,David A. Ritchie, Rita C. Iotti & Fausto Rossi, “Terahertz semiconductor heterostructure laser,” Nature, Vol. 417, pp. 156-159, 2002.
[2] Ping GU, Masahiko Tani, Masaharu Hyodo, Kiyomi Sakai, and Takehiro Hidaka, “Generation of cw-Terahertz Radiation Using a Two-Longitudinal-Mode Laser Diode,” Jpn. J. Appl. Phys., Vol.
37, Part2, no. 8B, pp. L976-L978, 1998.
[3] Masahiko Tani, Shuji Matsuura, Kiyomi Sakai et al, “Multiple-Frequency Generation of Sub-Terahertz Radiation by Multimode LD Excitation of Photoconductive Antenna,” IEEE
Microwave and Guided Wave Lett., Vol. 7, pp. 282-284, 1997.
[4] D. H. Martin, and E. Puplett, “Polarised interferometric spectrometry for the millimetre and submilimetre spectrum,” Infrared Physics, Vol. 10, pp. 105-109, 1969.
[5]Masahiko Tani, Shuji Matsuura, Kiyomi Sakai, and Shin-ichi Nakashima, “Emission characteristics
of photoconductive antennas based on low-temperature-grown GaAs and semi-insulating GaAs”
