Pengoperasian Mode Tunggal Stabil dari Laser Kaskade Kuantum Umpan Balik Terdistribusi dengan Pelapisan Faset Reflektifitas yang Dioptimalkan

Metode

Teori dan Simulasi

Inti dari simulasi efek pelapisan antirefleksi dalam rongga DFB hingga adalah perhitungan mode loss untuk dua mode tepi pita. Metode matriks transfer akan menjadi cara yang tepat untuk menganalisis seluruh struktur laser [16, 17]. Kami mempertimbangkan penerapan metode ini untuk perangkat yang memiliki profil indeks bias longitudinal mirip dengan yang ditunjukkan pada Gambar. 1. Gambar skematis ini menggambarkan efek kisi dengan gangguan indeks efektif kecil yang berbeda (n _eff,1 , n _eff,2 ) dan film berlapis (n ₃ , n ₄ ) pada mode terpandu. Indeks bias kompleks bahan utama yang digunakan dalam perhitungan tercantum sebagai berikut:InP (3.088 + i*2e−4), InGaAs (3.4 + i*2.9e−5), wilayah aktif (3.298 + i*4e−5), InP doping tinggi (2,81 + i*1.4e−2), SiO₂ (1.3603 + i*6.3e−4), Au (1.341 + i*32.582), Al₂ O₃ (1.5348 + i*3.2967e−3), dan Ge (4.0165 + i*4e−2). Kemudian, indeks efektif yang berbeda n _eff,1 = 3.1599 + i*5.17e−5 dan n _eff,2 = 3.1662 + i*5.6756e−5 dikerjakan dengan COMSOL melalui fungsi persamaan diferensial parsial (PDE). Laser diasumsikan dioperasikan dalam mode transversal tunggal sehingga karakteristik propagasi cahaya pada setiap titik di sepanjang rongga laser dijelaskan oleh kuantitas kompleks skalar tunggal, k , yang merupakan vektor gelombang medium. Lebih lanjut dianggap bahwa laser terpolarisasi linier dan medan listrik yang terkait memiliki ketergantungan waktu sinusoidal e ^{i t} . Mengikuti asumsi yang diberikan di atas, faktor gelombang elektromagnetik bidang satu dimensi E _z , yang menjelaskan bagian dari variasi khusus fungsi gelombang, memenuhi persamaan Helmholtz

Skema yang menggambarkan model rongga DFB terbatas dengan lapisan antirefleksi pada profil mode optik longitudinal

K (z) diberikan oleh

dimana ω dan c berturut-turut adalah frekuensi sudut dan kecepatan cahaya dan n (z) adalah indeks bias kompleks pada setiap titik di sepanjang rongga laser. Vektor gelombang k yang perlu dipecahkan dapat dibagi menjadi dua bagian:k _r dan k _i . Bagian sebenarnya k _r menentukan panjang gelombang cahaya di rongga laser, sedangkan bagian imajiner k _i berasal dari mode loss dari akun rongga terbatas untuk atenuasi. Dari Gambar 1, dapat dilihat bahwa laser dapat dianggap sebagai perangkat multi-bagian dengan 2N + 2 bagian di mana N adalah periode kisi. Di setiap bagian ini, medan listrik E _n (z) adalah kombinasi linier dari dua gelombang bidang yang merambat secara eksponensial di mana salah satunya berkurang dengan amplitudo kompleks A _n dan yang lainnya meningkat dengan B _n . Persamaan tersebut digambarkan sebagai berikut:

Secara total, ada 2N + 3 antarmuka. Pada masing-masing antarmuka ini, baik medan listrik dan turunannya terhadap arah rambat harus sama di kedua sisi antarmuka. Persamaannya diperoleh sebagai berikut:

Matriks transfer M (d _n ) diberikan oleh

Mengingat bahwa laser yang dipompa secara elektrik adalah perangkat yang berosilasi sendiri, tidak ada gelombang masuk dari luar perangkat. Ini menghasilkan kondisi batas B ₀ = A _{2T + 3} = 0, dan persamaan berubah menjadi

Setiap nilai dari vektor gelombang k dapat diperoleh dengan bantuan Matlab melalui Persamaan. (6). Bagian imajiner k _i sesuai dengan hilangnya mode rongga akan membantu menganalisis efek pelapisan AR.

Gambar 2a menunjukkan hasil yang dihitung berdasarkan simulasi matriks transfer. Seperti yang ditunjukkan oleh dua kurva merah, kerugian mode frekuensi tinggi berubah sangat lambat dengan penurunan reflektifitas sedangkan mode frekuensi rendah meningkat tajam. Sisipan menunjukkan profil mode yang dihitung untuk mode frekuensi rendah dan tinggi, untuk satu periode kisi. Seperti yang diplot, mode frekuensi rendah memiliki magnitudo medan listrik yang lebih tinggi di puncak kisi yang merupakan bagian indeks kisi yang lebih tinggi, dan juga, mode frekuensi tinggi lebih terkonsentrasi di bagian indeks bawah kisi. Untuk model rongga tak terbatas tanpa reflektifitas faset, mode frekuensi tinggi selalu memiliki kerugian mode yang lebih rendah daripada mode frekuensi rendah. Jika efek cermin segi akhir dapat diabaikan, maka mode frekuensi tinggi dengan kerugian pandu gelombang yang lebih kecil akan selalu lase. Namun, kehadiran cermin segi akhir memberikan refleksi yang secara konstruktif atau destruktif mengganggu mode DFB di rongga laser. Interferensi ini mempengaruhi hilangnya rongga kisi terbatas dari setiap mode dan dapat menentukan mode mana yang berkurang. Kami mencatat bahwa efek cermin terbesar ketika posisi kedua cermin bertepatan dengan puncak amplitudo medan listrik dari satu mode DFB, yang juga ketika cermin berada di simpul untuk mode DFB lainnya. Di sini, cermin untuk faset yang tidak dilapisi bertepatan dengan puncak mode frekuensi rendah, dan kemudian, pantulan dari cermin ujung secara maksimal mengganggu mode yang ada di rongga laser. Ini menghasilkan penurunan mode kerugian total, karena kontribusi konstruktif dari cermin. Saat reflektifitas menurun dan pergeseran fasa tambahan dipengaruhi dengan menggunakan lapisan AR lapisan ganda, hilangnya mode frekuensi rendah secara bertahap meningkat dengan penurunan reflektifitas karena efek interferensi yang melemah dan peningkatan kehilangan cermin. Sementara itu, hilangnya mode frekuensi tinggi sedikit berubah karena efek interferensi yang ditingkatkan. Hal ini menyebabkan hilangnya mode bekerja sama seperti fungsi eksponensial terutama ketika reflektifitas faset depan < 0,15. Menurut simulasi, hanya ada satu titik minimum yang keluar dalam seluruh spektrum ketika reflektifitas faset depan < 0,11, yang berarti bahwa mode hop tidak dapat terjadi secara teori karena kehilangan mode tepi pita lain terlalu tinggi untuk lase.

a Dua kurva merah adalah hilangnya mode mode frekuensi tinggi dan rendah masing-masing. Kurva hitam adalah mode diferensial yang hilang antara dua mode tepi pita yang diberi label sebagai . Sisipan menunjukkan profil mode yang dihitung untuk mode frekuensi rendah dan tinggi, untuk satu periode kisi. b Spektrum kerugian mode yang dihitung berdasarkan simulasi matriks transfer dengan pelapis AR yang berbeda

Gambar 2b menunjukkan tiga spektrum kerugian mode tipikal selama simulasi di mana mode frekuensi tinggi dan rendah masing-masing adalah 4,762 dan 4,779 m. Yang pertama adalah DFB-QCL tanpa lapisan AR. Kita dapat melihat stopband yang berasal dari umpan balik kisi dengan jelas, dan dua mode tepi pita hampir sama. Yang kedua adalah pelapisan AR khusus dengan 200 nm Al₂ O₃ dan 5 nm Ge dengan reflektifitas 0,22. Perbedaan antara dua mode tepi pita mulai terlihat jelas. Yang terakhir menunjukkan bahwa dengan lapisan reflektifitas yang lebih rendah, kerugian mode sangat besar sehingga mode frekuensi rendah tenggelam di bawah hilangnya stopband. Meskipun reflektifitas yang lebih rendah, kerugian mode yang lebih besar secara teori, kita juga harus mempertimbangkan bahwa reflektifitas yang sangat rendah menyebabkan kerugian cermin yang besar pada perangkat yang akan membuat WPE turun tajam. Itu adalah trade-off untuk memilih ketebalan film berdasarkan eksperimen.

Fabrikasi Perangkat

Wafer QCL ditanam pada n-doped (Si, 3 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ ) Substrat InP oleh epitaksi berkas molekul sumber padat (MBE) berdasarkan desain resonansi dua fonon. Inti aktif mencakup 40 tahap kompensasi regangan Dalam_0,669 Ga_0,331 Sebagai/Dalam_0,362 Al_0,638 Sebagai sumur kuantum dan penghalang, yang mirip dengan Ref. [18]. Urutan lapisan adalah sebagai berikut:2-μm lapisan penutup InP bawah (Si, 2.5 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ ), cocok dengan ketebalan 0,3μm Dalam_0,47 Ga_0,53 Sebagai lapisan (Si, 4 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ ), 40 tahap aktif/injektor, Tebal 0,3μm Dalam_0,47 Ga_0,53 Sebagai lapisan (Si, 4 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ ), 3-μm lapisan penutup InP atas (Si, 2.5 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ ), dan 0,7-μm lapisan penutup InP yang sangat didoping (Si, 5 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ ). Tingkat doping rata-rata wilayah aktif secara empiris disesuaikan menjadi 2,4 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ . Untuk membuat kisi yang terkubur, kelongsong atas dipindahkan ke lapisan InGaAs atas. Kisi DFB orde pertama dengan periode = 0,755 m (duty cycle σ =20%) didefinisikan pada lapisan InGaAs atas setebal 300 nm menggunakan teknik litografi holografik dan kemudian digores hingga kedalaman sekitar 90 nm dengan etsa kimia basah. Kemudian, doping rendah setebal 3 m (Si, 2.5 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ ) Lapisan InP diikuti dengan doping 0,2-μm secara bertahap (berubah dari 1 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ hingga 3 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ ) Lapisan InP dan InP 0,5μm (5 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ ) lapisan kontak diselesaikan secara berurutan sebagai lapisan atas dengan epitaksi fase uap organik logam (MOVPE).

Setelah penerapan pola kisi dan pertumbuhan kembali, epi-wafer diukir menjadi punggungan selebar 10 m, dan kemudian, pemandu gelombang diperkenalkan kembali ke dalam sistem MOVPE dan dikubur dalam semi-insulasi InP (Fe). SiO setebal 450 nm₂ lapisan diendapkan oleh deposisi uap kimia yang ditingkatkan plasma (PECVD) untuk insulasi di sekitar punggungan, dan kontak listrik disediakan oleh lapisan Ti/Au. Lapisan emas setebal 5 m tambahan kemudian dilapisi untuk lebih meningkatkan pembuangan panas. Pemandu gelombang dibelah menjadi batang sepanjang 2 mm, dan pengujian dilakukan pada perangkat dengan pelapis segi reflektifitas yang dioptimalkan. Kedua lapisan HR sisi belakang terdiri dari Al₂ O₃ /Ti/Au/Ti/Al₂ O₃ (400/5/100/10/200 nm) dan lapisan AR segi depan terdiri dari Al₂ O₃ /Ge (380/33 nm) diendapkan oleh penguapan e-beam. Reflektivitas terhitung dari segi depan adalah 3,4% untuk panjang gelombang 4,76 m, dan hubungan rinci antara fluktuasi ketebalan lapisan dan reflektifitas telah dibahas dalam makalah kami yang diterbitkan sebelumnya [19]. Laser dipasang dengan lapisan epilayer menghadap ke bawah pada heat sink SiC dengan solder indium dan kemudian diikat dengan kawat ke bantalan kontak eksternal. Untuk karakterisasi spektral dan listrik, laser dipasang pada elemen Peltier dan suhunya dipantau di unit pendingin dengan termistor.

Hasil dan Diskusi

Gambar 3 menunjukkan spektrum emisi subambang yang berubah secara dinamis dari elektroluminesensi menjadi penguat dengan meningkatnya arus yang diukur dengan FTIR Bruker Vertex 70 dan detektor HgCdTe berpendingin nitrogen. Spektrum laser tepat di atas ambang batas menunjukkan bahwa perangkat beroperasi pada mode fundamental dan kita dapat dengan jelas mendapatkan stopband mode fundamental saat arus 285 mA. Dari lebar stopband ν = 3,076 cm ⁻¹ dan indeks efektif n _eff = 1/(2νΛ) = 3.153, kami menghitung koefisien kopling κ = Δν ·π ·n _eff = 30.4 cm ⁻¹ , menghasilkan rongga sepanjang 2 mm berlapis HR kami dalam produk kopling κL dari 12.1, yang sesuai dengan fabrikasi perangkat kami. Produk dari κL jauh lebih besar dari penyelidikan teoritis sebelumnya κL 1 [20] menunjukkan bahwa skema overcoupled diperoleh, yang bermanfaat untuk mengamankan mode tunggal dalam seluruh rentang suhu saat ini dan yang diperiksa.

Spektrum DC subambang perangkat yang diukur pada 30 °C

Gambar 4a menunjukkan tegangan arus-daya CW khas (P -Aku -V ) kurva laser DFB pada suhu heat sink yang berbeda antara 20 dan 90 °C. Daya keluaran mencapai 200 mW untuk perangkat sepanjang 2 mm dengan kerapatan arus ambang batas rendah 0,65 kA/cm ² pada 20 °C. Tegangan ambang (V _th ) dari 13,2–14,2 V diukur pada rentang suhu 20–90 °C. Perlu dicatat bahwa mode hop hanya ada pada suhu heat sink yang lebih rendah di bawah 60 °C yang dapat dengan mudah disimpulkan dari P -Aku melengkung. Suhu heat sink yang tinggi akan memberikan kontribusi akumulasi panas yang lebih parah ke inti laser sehingga efek termal menahan penguat mode lain dan mode hop tidak akan terjadi. Gambar 4b menunjukkan P -Aku -V kurva laser DFB yang lapisan antirefleksi (AR) telah disimpan di sisi depannya, dan kami memilih reflektifitas lapisan AR sebesar 3,4%. Setiap halus P -Aku kurva menunjukkan bahwa tidak ada mode hop di sekitar suhu yang kami ukur. Gambar 4c, d menunjukkan spektral penguat pada arus yang berbeda dari 150 hingga 250 mA dengan langkah 25 mA. Jelas dari Gambar 4d bahwa kami mencapai mode tunggal yang stabil di sekitar arus yang berbeda dengan pelapisan faset AR yang dioptimalkan daripada mode hop pada Gambar 4c. Frekuensi selalu menjaga hubungan linier dengan arus injeksi, dan koefisien penyetelan arus ν /ΔAku = − 0,024 cm ⁻¹ mA ⁻¹ membuktikan bahwa pelapisan AR adalah metode yang sederhana dan efisien untuk menyelesaikan masalah mode hop di DFB-QCLs.

a , b Daya keluaran versus arus laser DFB yang dioperasikan dalam mode CW pada suhu heat sink yang berbeda antara 20 dan 90 °C bersama dengan V -Aku kurva. c , d Spektrum penguat CW pada arus yang berbeda dari 150 hingga 250 mA dengan langkah 25 mA pada 20 °C

Gambar 5 menunjukkan spektrum emisi laser DFB pelapis pada suhu heat sink yang berbeda dari 20 hingga 90 °C. Pengukuran dilakukan dengan menggunakan spektrometer NICOLET 8700 FTIR dengan 0,25 cm ⁻¹ resolusi dalam mode pemindaian cepat. Emisi mode longitudinal tunggal diamati di antara seluruh rentang suhu yang diselidiki dengan rasio penekanan mode samping (SMSR) 26 dB pada suhu tinggi 90 °C. Seperti yang ditunjukkan pada awal Gambar 5, spektrum emisi puncak teramati bergeser dari 2100,4 cm ⁻¹ pada 20 °C hingga 2088,6 cm ⁻¹ pada 90 °C, sesuai dengan koefisien penyetelan suhu ν /ΔT = − 0,168 cm ⁻¹ K ⁻¹ . Penyetelan linier yang baik menunjukkan bahwa tidak ada mode hopping yang terjadi selama perubahan suhu heat sink. Selain itu, semua perangkat yang disebutkan menampilkan medan jauh lateral tunggal yang dominan di bawah operasi CW pada mode fundamental karena kontrol lebar punggungan yang akurat.

Spektrum emisi mode tunggal dari laser DFB pada arus ambang 1,1 penggerak untuk suhu heat sink yang berbeda 20–90 °C. Sisipan menunjukkan karakteristik penyetelan yang pas secara linier dari frekuensi penguat dengan suhu

CW WPE dihitung dan diplot sebagai fungsi dari konsumsi daya listrik input pada Gambar 6. Pada 20 °C, WPE maksimum 4,7% diperoleh sekitar 240 mA dengan daya keluaran 170 mW. WPE maksimum masing-masing masih 2,9 dan 0,8% pada 50 dan 90 °C. Hingga saat ini, nilai ini masih sangat tinggi untuk DFB-QCL ambang batas rendah karena kualitas material kami yang tinggi dan lapisan segi reflektifitas yang dioptimalkan. Diyakini bahwa WPE dapat lebih ditingkatkan dengan pemilihan panjang rongga laser yang dioptimalkan dengan mempertimbangkan efek pelapisan.

Efisiensi colokan dinding sebagai fungsi disipasi daya listrik untuk HR sepanjang 2 mm dan DFB-QCL berlapis AR

Kesimpulan

Kami telah mendemonstrasikan operasi CW suhu kamar dari DFB-QCL mode tunggal di λ ~ 4,76 m. Dengan mendepositkan lapisan AR yang terdiri dari dielektrik dua lapis Al₂ O₃ dan Ge di sisi depan, mode tunggal yang stabil tanpa lompatan mode apa pun di bawah semua kondisi arus dan suhu telah berhasil direalisasikan. Pada 20 °C, daya keluaran CW setinggi 170 mW telah diamati dengan rapat arus ambang batas yang sangat rendah, yaitu 0,65 kA/cm ² . Perangkat tersebut merupakan langkah penting menuju penggunaan operasi mode tunggal yang stabil dari DFB-QCL dalam rentang spektral inframerah menengah untuk aplikasi praktis.

Singkatan

AR:

Antirefleksi

BH:

Heterostruktur terkubur

CW:

Gelombang terus menerus

DFB:

Umpan balik terdistribusi

SDM:

Refleksi tinggi

MBE:

Epitaksi berkas molekul

MOVPE:

Epitaksi fase uap organik logam

PDE:

Persamaan diferensial parsial

PECVD:

Deposisi uap kimia yang ditingkatkan plasma

P -Aku -V :

Tegangan-arus-tegangan

QCL:

Laser kaskade kuantum

SMSR:

Rasio penekanan mode samping

V _th :

Tegangan ambang

WPE:

Efisiensi colokan dinding

λ /4 PS:

Pergeseran fase seperempat gelombang

Konverter Polarisasi dengan Birefringence Terkendali Berdasarkan Metasurface All-Dielectric-Graphene Hibrida Hierarki Jaringan Nano Grafit Makro Berpori Menunjukkan Kinerja Penyimpanan Pengisian Daya Ultra-cepat dan Stabil