Manufaktur industri
Industri Internet of Things | bahan industri | Pemeliharaan dan Perbaikan Peralatan | Pemrograman industri |
home  MfgRobots >> Manufaktur industri >  >> Industrial materials >> bahan nano

Larik Laser Kaskade Kuantum Runcing Terintegrasi dengan Rongga Talbot

Abstrak

Penskalaan daya di laser kaskade kuantum area luas (QCL) biasanya mengarah pada penurunan kualitas sinar dengan emisi pola medan-jauh beberapa lobus. Dalam surat ini, kami mendemonstrasikan larik QCL runcing yang terintegrasi dengan rongga Talbot di satu sisi larik. Operasi supermode mendasar dicapai dalam array dengan ujung lurus lancip yang terhubung ke rongga Talbot. Medan jauh lateral supermode fundamental menunjukkan divergensi sinar terbatas difraksi dekat sebesar 2,7 ° . Daya keluaran larik lima elemen sekitar tiga kali lebih tinggi dari laser punggungan tunggal dengan panjang gelombang emisi sekitar 4,8 μm. Namun, susunan dengan ujung lancip yang terhubung ke rongga Talbot selalu menunjukkan operasi supermode tingkat tinggi berapa pun panjang rongga Talbot.

Latar Belakang

Quantum cascade laser (QCL), ditemukan pada tahun 1994, telah menjadi salah satu sumber cahaya yang paling penting di pertengahan dan jauh-inframerah untuk fleksibilitas panjang gelombang dan portabilitas [1,2,3]. Aplikasi populer QCL telah mencakup banyak bidang seperti komunikasi optik ruang bebas dan penanggulangan inframerah terarah (DRICM), jejak penginderaan kimia bahan peledak, racun, polutan, dan pengujian medis [4,5,6,7]. Beberapa aplikasi selalu menuntut daya cahaya keluaran tinggi untuk efek jamming yang lebih baik dan akurasi deteksi. QCLs daya tinggi dapat diperoleh dengan memperluas lebar area wilayah aktif. Namun, pelebaran punggungan yang sederhana tanpa desain rekayasa pandu gelombang atau optik eksternal akan menurunkan kualitas berkas QCL dengan emisi pola medan jauh multi lobus [8]. Emisi lobus tunggal diperoleh di masa lalu dengan metode seperti QCLs photonic crystal distributed-feedback (PCDFB), QCL rongga bersudut, QCLs penguat daya master-osilator, dan QCL area luas melalui mekanisme umpan balik eksternal [9,10,11] ,12]. Baru-baru ini, susunan fase-terkunci telah menjadi pendekatan populer untuk menjaga QCL punggungan lebar memancarkan dengan pola berkas sempit yang koheren.

Array fase-terkunci telah terampil diterapkan di punggungan lebar dan laser semikonduktor divergensi rendah sejak tahun 1980-an [13]. Dalam karya sebelumnya, array QCL fase-terkunci telah dipelajari dalam array Y-junction, array berpasangan gelombang bocor resonansi, dan array berpasangan gelombang cepat berlalu dr ingatan, seperti yang dilakukan laser inframerah-dekat di masa lalu [14,15,16] ,17,18]. Struktur ini membawa kerugian besar dalam pandu gelombang [15] atau menghasilkan akumulasi panas dengan mengejar jarak yang berdekatan untuk mendapatkan kopling [16,17,18]. Baru-baru ini, susunan QCL yang digabungkan dengan difraksi yang mengintegrasikan rongga samping berdasarkan efek Talbot yang digabungkan dengan difraksi telah dilaporkan [19]. Dalam struktur difraksi-kopel, kopling terjadi di rongga Talbot oleh difraksi ujung punggungan dan refleksi dari segi rongga. Elemen array QCL penguncian fase yang digabungkan dengan difraksi dapat ditempatkan untuk ruang yang luas, yang akan mengurangi akumulasi panas.

Efek talbot adalah fenomena optik yang terkenal bahwa struktur periodik dapat menghasilkan citra diri pada jarak tertentu yang teratur [20]. Efek ini telah dimanfaatkan untuk laser fase-terkunci di dekat-inframerah, yang disebut skema kopling difraksi array fase-terkunci [21,22,23]. Dalam metode ini, cermin datar harus ditempatkan di depan segi rongga dari array laser untuk memberikan umpan balik optik. Panjang antara cermin dan segi array disebut jarak Talbot, yang didefinisikan sebagai

$$ {Z}_t=\frac{2n{d}^2}{\lambda } $$

dimana n adalah indeks bias bahan, d adalah jarak pusat-ke-pusat array, dan λ adalah panjang gelombang ruang bebas. Supermode yang dipantulkan ke saluran array akan memperoleh osilasi reproduksi-diri. Gambar 1 menunjukkan distribusi supermode fundamental dan supermode orde tinggi dalam jarak Talbot pecahan. Setelah supermode di Z t Posisi /4 direfleksikan ke dalam saluran array, superposisi dan operasi supermode fundamental akan diekstraksi.

Distribusi supermode fundamental dan orde tinggi pada bidang Talbot pecahan. Oval biru sesuai dengan supermode dasar, dan oval coklat sesuai dengan supermode tingkat tinggi

Daya keluaran larik QCL yang dikunci fase rongga Talbot terbatas karena efisiensi gabungan yang rendah antara rongga Talbot dan saluran larik. Untuk lebih meningkatkan daya keluaran dari susunan QCL rongga Talbot, faktor pengisian (rasio lebar punggungan terhadap periode) harus ditingkatkan. Sedangkan, pelebaran lebar saluran akan menimbulkan emisi mode orde tinggi dari elemen larik. Mengurangi jarak pusat-ke-pusat akan meningkatkan akumulasi panas. Struktur lancip adalah salah satu metode terbaik untuk meningkatkan faktor pengisian sekaligus memastikan operasi mode dasar dari punggungan tunggal itu sendiri. Dalam surat ini, struktur lancip dieksploitasi dan rongga Talbot masing-masing terintegrasi di satu sisi struktur lancip. Perangkat dengan ujung lurus yang terhubung ke rongga Talbot menunjukkan operasi supermode mendasar dengan divergensi medan jauh dekat difraksi terbatas (DL) sebesar 2,7°. Sebaliknya, perangkat dengan ujung lancip yang terhubung ke rongga Talbot menunjukkan operasi supermode tingkat tinggi berapa pun panjang rongga Talbot. Daya puncak maksimum 1,3 W diperoleh untuk perangkat dengan ujung lurus terhubung ke rongga Talbot dengan kerapatan arus ambang 3,7 kA/cm 2 dan efisiensi kemiringan 0,6 W/A pada 298 K.

Metode

Wafer QCL ditanam pada n-doped (Si, 2 × 10 17 cm −3 ) Wafer substrat InP oleh epitaksi berkas molekul sumber padat (MBE). Struktur wilayah aktif (AR) terdiri dari 35 periode kompensasi regangan In0,67 Ga0,33 Sebagai/Dalam0,37 Al0,63 Sebagai sumur kuantum dan penghalang. Seluruh struktur wafer sebelum fabrikasi adalah 4 m lapisan kelongsong InP lebih rendah (Si, 3 × 10 16 cm −3 ), 0,3-μm-tebal n-In0,53 Ga0,47 Sebagai lapisan (Si, 4 × 10 16 cm −3 ), 35 tahap aktif/injektor, n-In setebal 0,3μm0,53 Ga0,47 Sebagai lapisan (Si, 4 × 10 16 cm −3 ), lapisan kelongsong atas InP 2,6-μm (Si, 3 × 10 16 cm −3 ), 0,15-μm InP lapisan doping bertahap (berubah dari 1 × 10 17 hingga 3 × 10 17 cm −3 ), dan 0,4-μm lapisan kelongsong InP yang sangat didoping (Si, 5 × 10 18 cm −3 ).

Setelah epitaksi di MBE, perangkat digores dengan metode etsa kimia basah dan kemudian diendapkan 450 nm SiO2 dengan deposisi uap kimia yang ditingkatkan plasma (PECVD). Setelah membuka jendela injeksi listrik, kontak logam atas terbentuk. Dua bagian rongga Talbot dan susunan Tapered secara elektrik terhubung melalui kontak atas Au. Kemudian, substrat wafer ditipiskan dan kontak logam kontak bawah diuapkan. Wafer dibelah menjadi sekitar 2 mm dengan gergaji potong untuk mengontrol panjang rongga Talbot secara tepat. Akhirnya, perangkat disolder sisi epilayer ke bawah ke heat sink tembaga dengan solder indium. Karena bagian rongga Talbot disuntikkan secara elektrik, panas akan terakumulasi untuk dimensinya yang lebar, yang harus dihindari dengan menggunakan insulasi listrik di pekerjaan mendatang. Bagian rongga Talbot mungkin dapat diganti dengan bahan pemandu gelombang lainnya dengan menggunakan fabrikasi yang rumit seperti pengikatan dan penyelarasan wafer, dan operasi penguncian fase masih dapat dicapai. Menurut distribusi supermode rongga Talbot pada Gambar 1, panjang rongga Talbot kami ditentukan menjadi Z t /8 mirip dengan ref. [19] yaitu sekitar 104 m dalam surat ini. Gambar 2 menunjukkan sketsa dan gambar mikroskop perangkat. Array berisi lima elemen lancip dan rongga Talbot. Elemen lancip terdiri dari ujung lancip dengan panjang 1 mm dan ujung lurus ~ 0,9 mm dengan lebar yang berubah dari 10 menjadi 16 m. Jarak pusat-ke-pusat antara elemen yang berdekatan dalam larik adalah 25 m, dan panjang setiap perangkat laser sekitar 2 mm. Panjang rongga Talbot dalam makalah ini sekitar 104 m.

a Sketsa elemen lancip dalam array; skema 3D larik dengan b ujung lurus terhubung ke rongga Talbot dan c ujung runcing terhubung ke rongga Talbot, sesuai dengan gambar mikroskop segi depan d dan e

Hasil dan Diskusi

Menurut teori mode berpasangan, jumlah supermode dalam array fase-terkunci sama dengan jumlah elemen [24]. Misalnya, array fase-terkunci dengan lima elemen akan memiliki lima supermode. Dengan asumsi hanya kopling yang berdekatan antara elemen array di rongga Talbot, pola distribusi medan dekat dari supermode orde yang berbeda dapat diperoleh dengan matriks yang digabungkan [24]. Perubahan kekuatan medan dekat sebagai fungsi dari dimensi lateral larik dapat ditunjukkan sebagai [25]:

$$ {E}_j\propto \sum \limits_{m=1}^M\sin \left(\frac{mj}{M+1}\pi \right)\exp \left[-\frac{{\ kiri(x-{x}_m\kanan)}^2}{\omega^2}\kanan] $$

dimana j adalah urutan supermode, M adalah jumlah elemen array, ω adalah pinggang balok Gauss di setiap elemen, dan x m adalah lokasi pusat dari setiap elemen. Hasil simulasi supermode orde berbeda ditunjukkan pada Gambar. 3a. Pola medan-jauh yang sesuai dapat disimpulkan dengan transformasi Fourier dari distribusi medan-dekat, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b.

a Pola jarak dekat yang dihitung dari N = 1, 3, 5 supermode orde dalam larik gabungan difraksi lima elemen. Supermode dasar (N = 1) dihitung berdasarkan ujung lurus yang terhubung ke rongga Talbot, dan supermode tingkat tinggi (N = 3, 5) didasarkan pada lancip yang terhubung ke rongga Talbot. b Pola medan jauh yang disimulasikan menurut a . c Distribusi medan jauh terukur dari array QCL dengan ujung lurus terhubung ke rongga Talbot. d Distribusi medan jauh terukur dari array QCL dengan ujung lancip terhubung ke rongga Talbot

Pola medan jauh dari array penguncian fase rongga Talbot diukur dari faset pandu gelombang array menggunakan teknik penguncian dengan detektor merkuri-kadmium-tellurida (MCT) suhu kamar. Susunan QCL yang dipasang pada tahap rotasi ditempatkan ~ 25 cm dari detektor MCT dan dikendalikan oleh perangkat lunak yang dibuat sendiri untuk pengumpulan data. Pola medan jauh yang diukur dari susunan rongga Talbot ditunjukkan pada Gambar. 3c, d, sesuai dengan ujung lurus yang terhubung ke perangkat rongga Talbot dan ujung lancip yang terhubung ke perangkat rongga Talbot. Distribusi medan jauh pada Gambar 3c menunjukkan lobus pusat yang kuat pada 0 °, menunjukkan adanya operasi supermode fundamental menurut teori mode berpasangan. Lebar penuh setengah maksimum (FWHM) adalah sekitar 2,7°, yang menunjukkan sudut divergensi terbatas difraksi (D.L.) menurut D.L. rumus:dosa θ = 1.22λ /d , di mana θ adalah D.L. sudut, λ adalah panjang gelombang, dan d adalah lebar keluaran cahaya dari array. Untuk emitor tunggal tirus dengan lebar keluaran cahaya 16 m, D.L. Divergensi FWHM sekitar 21°. Lobus samping muncul di sekitar ~ 12° yang sangat dekat dengan lokasi FWHM dari amplop medan jauh emitor tunggal. Intensitas lobus tengah dan lobus samping sesuai dengan distribusi pola medan jauh emitor tunggal. Dengan demikian, lobus samping memiliki setengah dari intensitas lobus pusat. Selanjutnya, larik profil medan-jauh lobus tunggal dapat diperoleh dengan meningkatkan lebar punggungan untuk mengurangi divergensi elemen larik. Lebar punggungan yang lebih lebar dapat dicapai dengan memperlebar lancip. Pola medan jauh pada Gambar 3d tidak memiliki lobus pada posisi pusat 0 °, tetapi terutama lobus ganda, menunjukkan operasi supermode orde tinggi, yang sesuai dengan supermode orde tiga pada Gambar 3b. Untuk mendapatkan operasi supermode mendasar, kami membuat perangkat dengan panjang rongga Talbot yang berbeda dari 90 hingga 110 m melangkah 1 m. Sayangnya, operasi supermode mendasar pada perangkat dengan ujung lancip yang terhubung ke rongga Talbot tidak dapat diperoleh berapa pun panjang rongga Talbot.

Hasil medan jauh dari dua jenis larik dapat dijelaskan dengan model teoretis dalam ref. [19, 21]. Rongga Talbot dapat didekati sebagai cermin pantul dengan reflektifitas setara yang berbeda untuk supermode yang berbeda; reflektifitas setara tinggi berarti efisiensi gain tinggi dan gain ambang rendah. Perhitungan dan simulasi reflektifitas ekivalen mirip dengan ref. [19]. Gambar 4 menunjukkan hasil simulasi reflektifitas ekivalen untuk supermode orde berbeda yang berubah sebagai fungsi dari panjang rongga Talbot. Sejak N = 2, 4 supermode orde dalam array fase-terkunci selalu memiliki kerugian pandu gelombang yang lebih besar daripada N = 1, 3, 5 supermode orde, mereka diabaikan dalam simulasi di sini. Untuk ujung lurus yang terhubung ke deretan rongga Talbot, supermode dasar memiliki reflektifitas setara tertinggi dan diskriminasi besar dibandingkan dengan supermode tingkat tinggi di sekitar Z t /8. Untuk ujung lancip yang terhubung ke rongga Talbot, perbedaan antara supermode fundamental dan supermode tingkat tinggi relatif kecil. Dalam hal ini, laser cenderung bekerja dengan supermode orde tiga karena diskriminasi mode yang lemah di ujung lancip yang terhubung ke perangkat rongga Talbot.

Intensitas reflektifitas ekivalen teoritis dari rongga Talbot berubah sebagai fungsi dari panjang rongga Talbot untuk N = 1, 3, 5 supermode orde dari larik QCL rongga Talbot lima elemen, bagian atas menunjukkan ujung lurus yang terhubung ke rongga Talbot dan bagian bawah menunjukkan ujung lancip yang terhubung ke rongga Talbot

Daya optik yang dipancarkan diukur dengan detektor thermopile terkalibrasi yang ditempatkan langsung di depan faset pandu gelombang laser. Pengukuran spektrum dilakukan dengan menggunakan spektrometer Fourier transform infrared (FTIR) dengan panjang gelombang 0,25 cm −1 resolusi dalam mode pemindaian cepat. Gambar 5a menunjukkan karakteristik daya-arus (P-I) dalam mode berdenyut dengan driver arus dipertahankan pada 2 kHz dengan lingkaran tugas 0,2%. Untuk perangkat dengan ujung lurus yang terhubung ke array QCL rongga Talbot, daya puncak total 1,3 W diperoleh pada 298 K dengan kerapatan arus ambang 3,7 kA/cm 2 dan efisiensi kemiringan 0,6 W/A, sesuai dengan daya keluaran 1,6 W dengan rapat arus ambang batas 3,4 kA/cm 2 dan efisiensi kemiringan 0,65 W/A untuk susunan ujung lancip seperti yang ditunjukkan pada garis biru dan garis ungu. Sebaliknya, perangkat laser tunggal dengan panjang 2 mm × 10-μm lebar punggungan menunjukkan daya puncak maksimum 0,41 W, kerapatan arus ambang 3 kA/cm 2 , dan efisiensi kemiringan 1 W/A. Daya keluaran array dengan operasi fundamental adalah tiga kali dari emitor tunggal. Untuk menyajikan hasil pengujian secara lebih singkat, karakteristik keluaran dari tiga perangkat dirangkum dalam Tabel 1. Daya keluaran rata-rata dari setiap elemen adalah sekitar 63% dari emitor tunggal, yang lebih tinggi dari pada ref. [19]. Ref. [26] melaporkan array QCL fase-terkunci dengan filter Talbot intra-rongga dengan kekuatan rata-rata elemen array individu sama dengan 43% dari emitor tunggal. Efisiensi lebih rendah daripada perangkat dengan satu persimpangan antara rongga Talbot dan elemen array karena kehilangan optik tambahan di dua persimpangan melingkar yang disebabkan oleh metode etsa basah. Ref. [27] melaporkan perangkat enam elemen terintegrasi dengan rongga Talbot dengan daya keluaran lima kali dari emitor tunggal dengan efisiensi kopling sekitar 83%. Efisiensi yang lebih rendah pada perangkat kami kemungkinan besar disebabkan oleh hilangnya difraksi tepi yang lebih kuat di rongga Talbot dan fabrikasi dengan metode etsa basah. Pekerjaan berikut harus mengadopsi metode etsa kering dan meningkatkan panjang zona lancip untuk mendapatkan penskalaan daya lebih lanjut. Sisipan dari Gambar 4a menunjukkan spektrum penguat dari array fase-terkunci pada suhu kamar dan 1,3 I th . Panjang gelombang tengah diukur menjadi 4,8 m dengan sifat multi-mode yang dihasilkan dari kurangnya mekanisme pemilihan mode longitudinal. Spektrum mode tunggal dapat dicapai dengan memperkenalkan kisi umpan balik terdistribusi (DFB) pada lapisan kelongsong atas. Karakteristik termal dari QCL luas dan susunan QCL disimulasikan dengan perangkat lunak elemen hingga COMSOL. Lebar punggungan tetap ditetapkan sebagai 10 m dan ruang antar elemen larik berubah dari 0 hingga 20 m pada langkah 5 m. Gambar 5b menunjukkan suhu AR yang berubah sebagai fungsi dari elemen antarruang. Suhu AR di perangkat wide ridge sekitar 20 K lebih tinggi daripada di perangkat rongga Talbot.

a Perubahan daya puncak total sebagai fungsi arus injeksi pada 298 K untuk ujung lurus (garis biru)/ujung lancip (garis ungu) yang terhubung ke susunan QCL rongga Talbot dan lebar 2 mm × 10-μm laser tunggal (garis hijau). Semua perangkat tidak memiliki lapisan di kedua sisi rongga. Driver saat ini dipertahankan pada 2 kHz dengan lingkaran tugas 0,2%. Inset adalah spektrum penguat dari array ujung lurus pada 1,3 kali arus ambang batas, yang mencapai puncaknya sekitar 4,8 m. b Suhu wilayah aktif array QCL berubah sebagai fungsi antar elemen array. Lebar punggungan elemen larik ditetapkan sebagai 10 m, dan ruang antar ruang berubah dari 0 menjadi 20 m dengan langkah 5 m

Kesimpulan

Sebagai kesimpulan, kami telah mendemonstrasikan susunan QCL tirus yang terintegrasi dengan rongga Talbot masing-masing di ujung lurus dan ujung lancip. Perangkat dengan rongga Talbot terintegrasi pada ujung lurus menunjukkan pola medan jauh mode dasar dengan D.L. divergensi 2,7° pada panjang gelombang emisi 4,8 m. Daya keluaran 1,3 W diperoleh untuk larik ujung lurus dengan efisiensi kemiringan 0,6 W/A. Karena array penguncian fase rongga Talbot tidak memerlukan jarak kopling yang sangat dekat, akumulasi panas lebih rendah daripada array berpasangan gelombang cepat berlalu dr ingatan. Perangkat tersebut memiliki potensi untuk array QCL kecerahan tinggi dari operasi siklus tugas tinggi dengan D.L. perbedaan. Pekerjaan di masa depan harus fokus pada pemilihan lebar ridge elemen array yang sesuai dan antarruang, penggunaan pandu gelombang ridge yang terkubur, dan manajemen termal dengan pendingin mikro-pelampiasan [28]. Selain itu, pengurangan jumlah kaskade AR akan memberikan kontribusi besar pada operasi siklus tugas tinggi QCL kecerahan tinggi [29].

Singkatan

AR:

Wilayah aktif

CW:

Gelombang terus menerus

D.L.:

Difraksi terbatas

DFB:

Umpan balik terdistribusi

FWHM:

Lebar penuh setengah maksimum

Saya th :

Ambang batas saat ini

MBE:

Epitaksi berkas molekul

MCT:

Merkuri-kadmium-telurida

MOVPE:

Epitaksi fase uap organik logam

PECVD:

Deposisi uap kimia yang ditingkatkan plasma

P-I:

Arus daya

QCL:

Laser kaskade kuantum

WPE:

Efisiensi colokan dinding


bahan nano

  1. Bagaimana Sekrup Dengan Shank Meruncing Bekerja
  2. C# Array
  3. Array C++
  4. C++ Array Multidimensi
  5. C Array
  6. Array Java
  7. Array Multidimensi Java
  8. Java Salin Array
  9. C++ Alokasi Dinamis Array dengan Contoh
  10. MATLAB - Array