Peragaan Mode Tunggal Berdaya Tinggi dan Stabil dalam Laser Kaskade Kuantum Menggunakan Kisi Sampel Terkubur

Metode

Diagram dari kisi seragam DFB QCL ditunjukkan pada Gambar. 1a; tanda I, II, III, dan IV menunjukkan kemungkinan empat jenis posisi sisi ujung yang terbelah. Seperti yang kita semua tahu, sulit untuk mengontrol secara tepat posisi faset yang dibelah untuk kisi seragam skala nano. Akibatnya, mode emisi berbeda dari perangkat ke perangkat karena posisi faset yang dibelah adalah acak. Di sini kami mensimulasikan dan menghitung perbedaan kerugian dari dua mode sisi dan spektrum kerugian mode dari kemungkinan empat jenis posisi faset ujung terbelah dari I, II, III, dan IV berdasarkan metode matriks transfer oleh MATLAB. Nilai absolut dari selisih rugi dua mode sisi dari empat jenis posisi sisi ujung terbelah I, II, III, dan IV ditunjukkan pada Gambar 1b; absis direpresentasikan sebagai posisi relatif dari I, II, III, dan IV (dengan asumsi bahwa segi lain dimulai hanya dengan puncak kisi dan sesuai dengan fase nol, kemudian fase yang sesuai dari I, II, III, dan IV adalah 0, /2, , dan 3π/2). Gambar 1c, d, e, dan f menunjukkan spektrum kerugian mode dari empat jenis posisi faset ujung terbelah secara rinci. Seperti yang telah dilihat, mode penguat dan perbedaan kerugian berbeda dari perangkat ke perangkat yang dipengaruhi oleh fase faset acak. Gambar 2a menunjukkan distribusi medan optik ternormalisasi yang sesuai dari kemungkinan empat jenis posisi faset ujung terbelah dari I, II, III, dan IV yang disimulasikan dengan metode matriks transfer yang sama. Gambar 2b dan c adalah amplifikasi distribusi medan optik di dekat kedua sisi ujung. Seperti yang telah kita lihat, intensitas kedua sisi ujung tidak sepenuhnya simetris, yang disebabkan oleh posisi kedua sisi ujung yang tidak simetris. Di sini kami menunjukkan situasi dengan kekuatan kopling κ × L =17, yang over-coupled. Puncak intensitas cahaya di tengah perangkat meluruh dengan cepat menuju kedua ujungnya, yang dapat menyebabkan pembakaran lubang spasial yang parah, dan pada gilirannya, mempertahankan operasi mode tunggal yang stabil mungkin menjadi sulit [15].

a Diagram struktur kisi seragam; denotasi I, II, III, dan IV mewakili kemungkinan empat macam posisi sisi ujung terbelah. b Nilai absolut dari perbedaan mode loss untuk posisi facet ujung yang dibelah yang berbeda dari I, II, III, dan IV, dan absis direpresentasikan sebagai fase yang sesuai dari posisi facet yang dibelah dari I, II, III, dan IV. c –f Spektrum rugi-rugi modus dari kemungkinan empat jenis posisi faset ujung terbelah masing-masing I, II, III, dan IV

a Distribusi medan optik yang sesuai dari struktur kisi seragam untuk empat jenis posisi sisi ujung terbelah dari I, II, III, dan IV. b , c Amplifikasi distribusi medan optik di dekat dua sisi ujung

Di sini kami mengukur struktur kisi pengambilan sampel untuk meningkatkan distribusi intensitas optik berdasarkan periode pengambilan sampel P =15 μm dan panjang balok u =5 μm sesuai dengan siklus tugas pengambilan sampel σ =u /P =1/3, yang ditunjukkan pada Gambar. 3a. Garis putus-putus vertikal pada Gambar 3a menunjukkan posisi faset terbelah, yang menyimpang dari daerah blok untuk menghindari pengenalan fase acak faset akhir. Koefisien kopling efektif yang sesuai κ _eff dapat secara sederhana diberikan oleh produk dari koefisien kopling κ dari kisi seragam kali siklus tugas σ dari kisi pengambilan sampel, yaitu, κ _eff =κ × σ [16]. Jadi koefisien kopling dari kisi pengambilan sampel dapat disesuaikan secara sewenang-wenang oleh siklus kerja kisi sampel, yang bermanfaat untuk mengoptimalkan kekuatan sambungan kisi pengambilan sampel. Akibatnya, daya keluaran dapat ditingkatkan. Gambar 3b menunjukkan spektrum transmisi yang dihitung dari kisi sampel berdasarkan metode matriks transfer dan spektrum electroluminescence (EL) terukur dalam kondisi berdenyut. λ ₋₁ dan λ ₊₁ adalah mode super tambahan yang diperkenalkan oleh kisi sampel. Jarak spektral yang berdekatan dari mode super dapat dihitung dengan Δλ =λ _B ² /(2n _eff P ) di mana n _eff adalah indeks efektif pandu gelombang dan λ _B adalah panjang gelombang Bragg dari kisi seragam dasar [17]. Meskipun keberadaan mode super dapat mempengaruhi stabilitas mode tunggal, mode super dapat dirancang jauh dari pusat kurva penguatan dengan memilih periode sampling kecil P sesuai dengan rumus jarak spektral super-mode. Dalam penelitian kami, periode kisi Bragg dasar Λ , periode pengambilan sampel P , indeks efektif pandu gelombang n _eff , dan siklus tugas σ masing-masing adalah 0,758 μm, 15 μm, 3,21, dan 1/3, sehingga jarak spektral yang berdekatan dari mode super adalah sekitar 246 nm. Seperti yang ditunjukkan Gambar 3b, panjang gelombang Bragg (orde ke-0) dirancang di sekitar puncak kurva penguatan, sedangkan panjang gelombang orde + 1 dan 1 berjarak 246 nm dari pusat kurva penguatan secara terpisah. Akhirnya, penguat mode tunggal yang stabil pada mode urutan ke-0 dalam penelitian kami dapat dicapai. Gambar 4a menunjukkan simulasi distribusi medan optik dari kisi pengambilan sampel pada arus injeksi yang berbeda. Seperti dapat dilihat, telah terjadi peningkatan dramatis dalam distribusi intensitas medan optik untuk struktur kisi pengambilan sampel di kedua sisi ujung, yang sesuai dengan peningkatan besar dalam daya keluaran. Gambar 4b adalah amplifikasi dari distribusi medan optik di dekat salah satu sisi ujung, dan Gambar 4c menampilkan variasi detail intensitas medan optik di sisi ujung dengan arus injeksi. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4b, profil distribusi medan optik tidak mulus tetapi berfluktuasi. Fluktuasi tersebut disebabkan oleh “refleksi antarmuka” antara daerah blok dan daerah non-grating pada setiap periode pengambilan sampel yang menginduksi konsentrasi densitas energi “terlokalisasi” di sepanjang rongga. Selain itu, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4c, variasi distribusi intensitas relatif dari segi akhir adalah nonlinier dengan arus injeksi, yang dapat menyebabkan nonlinier dalam kurva daya-arus perangkat.

a Diagram struktur kisi pengambilan sampel, garis putus-putus vertikal mewakili posisi segi yang dibelah, P adalah periode pengambilan sampel, dan u adalah panjang daerah kisi dalam satu periode sampling. b Garis biru adalah spektrum transmisi yang dihitung dari kisi sampel yang dirancang, dan garis merah adalah spektrum elektroluminesensi terukur dari wafer yang dibuat.

a Distribusi medan optik simulasi kisi pengambilan sampel pada arus injeksi yang berbeda. b Amplifikasi distribusi medan optik di dekat salah satu sisi ujung. c Variasi detail intensitas relatif medan optik pada faset ujung dengan arus injeksi

Struktur QCL ditumbuhkan pada n-InP (Si, 2 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ ) substrat oleh epitaksi balok molekul sumber padat (MBE). Inti aktif terdiri dari 40 tahap kompensasi regangan In_0,67 Ga_0,33 Sebagai/Dalam_0,37 Al_0,63 Sebagai sumur kuantum dan penghalang yang menyediakan saluran transisi elektron untuk menghasilkan foton, yang dikelilingi oleh lapisan kurungan InGaAs atas dan bawah. Kisi didefinisikan pada lapisan kurungan InGaAs atas menggunakan teknik litografi holografik balok ganda yang dikombinasikan dengan litografi optik konvensional. Kemudian lapisan pandu gelombang atas ditumbuhkan dengan epitaksi fase uap organik logam (MOVPE). Setelah itu, wafer diproses menjadi laser pemandu gelombang ridge saluran ganda dengan lebar inti rata-rata sekitar 10 μm yang diisi dengan InP:Fe semi-insulasi untuk penghilangan panas yang efisien. SiO setebal 450 nm₂ lapisan kemudian diendapkan oleh deposisi uap kimia yang ditingkatkan plasma (PECVD) untuk insulasi, dan kontak listrik disediakan oleh lapisan Ti / Au yang diendapkan oleh penguapan berkas elektron. Lapisan emas setebal 5 m tambahan dilapisi untuk meningkatkan pembuangan panas. Setelah ditipiskan hingga sekitar 140 μm, lapisan kontak logam Ge/Au/Ni/Au diendapkan pada sisi substrat. Kemudian pandu gelombang dibelah menjadi batang sepanjang 4 mm dan 6 mm, dan lapisan reflektifitas tinggi (HR) yang terdiri dari Al₂ O₃ /Ti/Au/Al₂ O₃ (200/10/100/120 nm) diendapkan pada salah satu faset dengan penguapan berkas elektron, meninggalkan faset yang tidak dilapisi untuk pengukuran daya pancar tepi. Terakhir, laser dipasang dengan epilayer menghadap ke bawah pada heat sink berlian dengan solder indium, yang kemudian disolder pada heat sink tembaga untuk pembuangan panas yang efektif.

Hasil dan Diskusi

Spektrum perangkat diuji dengan spektrometer inframerah transformasi Fourier dengan resolusi 0,25 cm ⁻¹ . Laser kemudian dipasang pada dudukan yang berisi termistor yang dikombinasikan dengan pendingin termoelektrik untuk memantau dan menyesuaikan suhu sub-mount. Daya optik yang dipancarkan diukur dengan detektor thermopile terkalibrasi yang ditempatkan di depan segi laser tanpa koreksi apa pun.

Gambar 5 dan 6 menunjukkan spektrum emisi dan karakteristik tegangan-arus-cahaya (L-I-V) dari perangkat dengan panjang rongga 4-mm dan 6-mm sampel kisi DFB QCLs, masing-masing. Seperti yang telah dilihat, spektrum bervariasi secara linier dengan arus injeksi atau suhu selama semua proses pengujian. Dalam mode CW, daya optik maksimum perangkat adalah 649 mW dan 948 mW pada 20 °C untuk panjang rongga 4 mm dan 6 mm masing-masing pada 1,2 A dan 1,4 A. Selain itu, kepadatan arus ambang CW perangkat yang rendah sebesar 1,59 kA/cm ² dan 1,05 kA/cm ² pada 20 °C untuk panjang rongga 4-mm dan 6-mm tercapai, yang sepenuhnya mencerminkan keuntungan dari hilangnya pandu gelombang kecil dan kerapatan arus ambang rendah dari kisi yang terkubur. Seperti yang telah kita amati dari spektrum penguat, mode penguat linier dengan perubahan suhu atau arus injeksi, yang menunjukkan bahwa mode hopping tidak terjadi selama perubahan arus atau suhu injeksi. Namun, kurva daya-arus tidak linier, yang disebabkan oleh fluktuasi distribusi medan optik dari struktur kisi pengambilan sampel dan intensitas medan optik perubahan yang tidak seragam dari faset ujung dengan arus injeksi yang dianalisis sebelumnya.

a Spektrum emisi CW mode tunggal dari sampel kisi DFB QCL dengan panjang rongga 4 mm pada arus sekitar 1,1 × I _th untuk suhu heat sink yang berbeda antara 15–70 °C. Inset menunjukkan spektrum emisi CW pada arus injeksi yang berbeda dari 0,63 hingga 1,08 A dengan langkah 0,05 A pada 20 °C. b Karakteristik CW light-current-voltage (L–I–V) dari sampel kisi DFB QCL dengan panjang rongga 4 mm pada suhu yang berbeda

a Spektrum emisi CW mode tunggal dari sampel kisi DFB QCL dengan panjang rongga 6 mm pada arus sekitar 1,1 × I _th untuk suhu heat sink yang berbeda antara 15–70 °C. Inset menunjukkan spektrum emisi CW pada arus injeksi yang berbeda dari 0,63 hingga 1,38 A dengan langkah 0,05 A pada 20 °C. b Karakteristik CW light-current-voltage (L–I–V) dari sampel kisi DFB QCL dengan panjang rongga 6 mm pada suhu yang berbeda.

Gambar 7 menunjukkan profil medan jauh perangkat pada operasi berdenyut sekitar 1,25 × I _th pada suhu kamar. Gambar 7a menunjukkan profil medan-jauh di sepanjang arah lebar punggungan, dan Gambar 7b menampilkan profil medan-jauh di sepanjang arah pertumbuhan epitaksi. Studi eksperimental menunjukkan mode transversal fundamental dapat lebih mudah menjadi mode penguat dalam struktur kisi terkubur daripada di struktur kisi logam permukaan karena hilangnya mode transversal fundamental meningkat karena kopling antara mode transversal fundamental dan kontak logam atas di permukaan. struktur kisi logam [6]. Berdasarkan itu, profil medan jauh dari mode transversal fundamental dengan lebar penuh pada setengah maksimum (FWHM) 28,2° sepanjang arah lebar punggungan telah diperoleh dalam percobaan kami. Jadi keuntungan lain yang jelas dari konformasi kisi terkubur ditampilkan bahwa mode penguat umumnya mode transversal mendasar dengan profil medan-jauh lobus tunggal, yang mendukung kolimasi. Selain itu, FWHM besar 50,1° sepanjang arah pertumbuhan epitaksial diperoleh karena aperture emisi kecil yang memiliki urutan yang sama dengan panjang gelombang.

a Profil medan jauh di sepanjang arah lebar punggungan. b Profil medan jauh di sepanjang arah pertumbuhan epitaksial

Kesimpulan

Kesimpulannya, ambang rendah, daya keluaran tinggi yang stabil, kisi pengambilan sampel emisi mode tunggal DFB QCLs telah tercapai. Daya keluaran CW maksimum dan kerapatan arus ambang adalah 0,948 W (0,649 W) dan 1,05 kA/cm ² (1,59 kA/cm ² ) untuk rongga 6-mm (4 mm). Peningkatan besar dalam distribusi medan optik diwujudkan dengan memperkenalkan siklus kerja sampel kecil untuk mengurangi kekuatan kopling. Profil medan jauh lobus tunggal juga diamati. Jadi, untuk laser kaskade kuantum umpan balik terdistribusi terkubur, menggabungkan kisi sampel adalah metode sederhana dan efektif untuk mencapai perangkat dengan daya output tinggi, ambang rendah, emisi mode tunggal yang stabil, dan hasil mode tunggal yang tinggi.

Singkatan

CW:

Gelombang terus menerus

DFB:

Umpan balik terdistribusi

EL:

Elektroluminesensi

FWHM:

Lebar penuh pada setengah maksimum

SDM:

Reflektifitas tinggi

L–I–V:

Cahaya–arus–tegangan

MBE:

Epitaksi berkas molekul

MOVPE:

Epitaksi fase uap organik logam

PECVD:

Deposisi uap kimia yang ditingkatkan plasma

QCL:

Laser kaskade kuantum

Pembentukan Bola Karbon Monodispersi dengan Ukuran Merdu melalui Sintesis Berbantuan Kopolimer Triblock dan Sifat Kapasitornya Transistor Film Tipis a-InGaZnO Performa Tinggi dengan Anggaran Termal Sangat Rendah dengan Menggunakan Dielektrik Al2O3 yang Kaya Hidrogen