太赫兹量子级联激光器动态特性的理论研究

Dynamic characteristic of terahertz quantum cascade lasers (QCL) has become research focus in this decade. The phase-locking of terahertz QCLs are realized and it can broaden the application of terahertz QCLs. In the research of device dynamic characteristics, the light-matter interaction should be considered. So the device simulation should combine the simulations of waveguides and the active Dynamic characteristic of terahertz quantum cascade lasers (QCL) has become the research focus in this decade. The phase-locking of terahertz QCLs are realized and it can broaden the application of terahertz QCLs. In the research of device dynamic characteristics, the light-matter interaction should be considered. So the device simulation should combine the simulations of waveguides and the active region. This project adopts Maxwell-Bloch equations. The Maxwell equation solves the terahertz wave propagation in the cavity and the Bloch equations simulate the electron transport in active regions. The interaction between the electron system and the photon system are realized by the polarization of the active region medium. The detailed research contents are listed as the following. (1) Active electrical modulation of terahertz QCLs. (2) The propagation effect in the pulse pumped terahertz QCLs (3) Self-seeding of terahertz QCLs. Through the theoretical analysis of the dynamic characteristics of terahertz QCLs, in-depth understanding of the physical mechanisms in the optical process will be achieved. This project will promote the development in science and technology of the terahertz QCL, and lay the foundation for the application of modern information technology in the THz range.

太赫兹量子级联激光器(THz QCL）动态特性是当前的研究热点之一。通过对THz QCL动态特性的研究，目前初步实现了THz QCL的主动锁模和高速调制，极大地拓宽了THz QCL的应用范围。THz QCL动态特性的理论研究需要考虑激光—有源区介质的相互作用，因此器件模拟需要将THz QCL的波导结构模拟与有源区结构模拟结合起来。本项目发展麦克斯韦—布洛赫方程方法，利用麦克斯韦方程考察激光在谐振腔内的传播，利用布洛赫方程研究有源区电子输运， THz QCL的电子系统和光子系统通过有源区介质的极化实现相互作用。具体研究内容包括：(1)THz QCL的主动电调制；(2)外加脉冲泵浦THz QCL的传播效应；(3)THz QCL器件的自注入。本项目通过理论模拟分析THz QCL谐振腔内光学模式的动态特性，深入理解器件光学过程的物理机理，为现代信息技术中THz QCL的实际应用奠定理论基础。

本项目围绕太赫兹量子级联激光器（THz QCL），利用麦克斯韦-布洛赫方程方法，结合部分实验手段研究了THz QCL的动态特性，包括主动高速电调制，射频调制，外加强脉冲泵浦调制等。项目中独立编写了两套程序，分别为THz QCL谐振腔驻波近似下的光电耦合模拟程序和基于时域有限差分方法（FDTD）的THz QCL谐振腔行波近似下的光电耦合模拟程序。理论上研究了器件的瞬态能量弛豫过程，得到了电子的能量弛豫时间，与实验能很好的吻合；研究了器件外加强脉冲泵浦调制下的传播效应，发现有源区内的电场呈现出强烈的空间与时间依赖性，使得各周期中粒子数分布出现不同。同时，本项目根据需要，通过理论结合实验手段，深入研究了器件射频调制下的发射谱展宽；同时对THz QCL出射光的远场光束进行了理论模拟，发现与实验结果吻合；研究了高速电调制下的理论调制深度，实验上实现了20Mbps的通信演示，同时证明了系统电路是阻碍基于THz QCL高速通信系统的一大障碍。以上一系列的研究为更好地设计THz QCL器件的波导和有源区结构提供科学依据，具有重要的科学意义，同时为拓展THz QCL的应用范围，为开发具有独立知识产权的基于THz QCL成像和通信应用系统奠定基础。通过该项目的实施，促进了我国THz科学技术的发展，同时在国际范围内产生一定的影响。