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, 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
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, 我們已完成了進行中的工作包括: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. 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) Amp lit u d e ( 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 Rel a ti v e Fre que ncy sh if t ( M H z )Time delay (min)
(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 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 Powe r (dBm ) Wavelength (nm) δλ=0.66 nm 圖五 兩顆雷射之輸出光譜圖 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 0.1 1 Po w e r ( a .u .) Frequency (THz) Gap:10um Length: 1mm
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 lit u 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) 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。
