Array Laser Kaskad Kuantum Tapered Tinggi Daya dengan Integrasi Rongga Talbot
Abstrak
Penskalaan daya dalam laser kaskad kuantum (QCL) area luas biasanya mengakibatkan kualitas berkas yang menurun dengan pola far-field beberapa lob. Dalam surat ini, kami menunjukkan array QCL tapered terintegrasi dengan rongga Talbot di satu sisi array. Operasi supermode dasar tercapai dalam array dengan ujung lurus tapered yang terhubung ke rongga Talbot. Pola far-field lateral supermode dasar menunjukkan divergensi berkas hampir terbatas difraksi sebesar 2,7°. Daya output array lima elemen sekitar tiga kali lebih tinggi dari laser tunggal dengan panjang gelombang emisi sekitar 4,8 μm. Namun, array dengan ujung tapered yang terhubung ke rongga Talbot selalu menunjukkan operasi supermode tinggi urutan terlepas dari panjang rongga Talbot.
Latar Belakang
Laser kaskad kuantum (QCL), ditemukan pada 1994, telah menjadi salah satu sumber cahaya terpenting untuk infra-merah tengah dan jauh karena fleksibilitas panjang gelombang dan portabilitas [1,2,3]. Aplikasi populer QCL telah mencakup banyak bidang seperti komunikasi optik ruang bebas dan tindakan pencegahan infra-merah terarah (DRICM), sensir kimia terjejak peledak, toksin, polutan, dan pengujian medis [4,5,6,7]. Beberapa aplikasi selalu memerlukan daya output cahaya yang tinggi untuk efek gangguan dan akurasi deteksi yang lebih baik. Daya daya QCL tinggi dapat diperoleh dengan memperlebar wilayah area aktif. Namun, perlebaran sederhana dari kiri tanpa desain engineering waveguide atau optik eksternal akan menurunkan kualitas berkas QCL dengan emisi pola far-field beberapa lob [8]. Emisi lob tunggal diperoleh di masa lalu dengan metode seperti QCL terdistribusi umpan balik kristal fotonik (PCDFB), QCL rongga miring, QCL master-oscillator power-amplifier, dan QCL area luas melalui mekanisme umpan balik eksternal [9,10,11,12]. Secara terbaru, array fase-terkunci telah menjadi pendekatan populer untuk menjaga QCL kiri lebar mengemudi dengan pola berkas koheren sempit.
Array fase-terkunci telah ditampilkannya dengan keterampilan pada laser semikonductor kiri lebar dan divergensi rendah sejak 1980-an [13]. Dalam karya sebelumnya, array QCL fase-terkunci telah diteliti dalam array pertahanan Y, array terhubung gelombang bocor resonan, dan array terhubung gelombang halus, seperti yang dilakukan laser infra-merah dekat di masa lalu [14,15,16,17,18]. Struktur ini atau menimbulkan kehilangan besar dalam waveguide [15] atau menghasilkan akumulasi panas dengan mengejar jarak bersebelahan pendek untuk mendapatkan coupling [16,17,18]. Secara terbaru, array QCL terhubung difraksi yang terintegrasi dengan rongga samping berdasarkan efek Talbot terhubung difraksi telah dilaporkan [19]. Dalam struktur terhubung difraksi, coupling terjadi di rongga Talbot oleh difraksi ujung kiri dan refleksi aspek rongga. Elemen array QCL fase-terkunci terhubung difraksi dapat ditempatkan dengan jarak yang luas, yang akan mengurangi akumulasi panas.
Efek Talbot adalah fenomena optik yang dikenal di mana struktur periodik dapat menghasilkan citra diri pada jarak teratur tertentu [20]. Efek ini telah dieksploitasi untuk laser fase-terkunci di infra-merah dekat, yang disebut skema coupling difraksi array fase-terkunci [21,22,23]. Dalam metode ini, cermin datar harus ditempatkan di depan aspek rongga laser array untuk memberikan umpan balik optik. Jarak antara cermin dan aspek array disebut jarak Talbot, yang didefinisikan sebagai
$$ {Z}_t=\frac{2n{d}^2}{\lambda } $$
di mana n adalah indeks bias materi, d adalah jarak pusat-ke-pusat array, dan λ adalah panjang gelombang ruang bebas. Supermode yang direfleksikan ke saluran array akan mendapatkan osilasi reproduksi diri. Gambar 1 menunjukkan distribusi supermode dasar dan supermode tinggi urutan pada jarak Talbot pecahan. Ketika supermode pada posisi Zt/4 direfleksikan ke saluran array, superposisi dan operasi supermode dasar akan diekstrak.
Distribusi supermode dasar dan tinggi urutan pada bidang Talbot pecahan. Oval biru sesuai dengan supermode dasar, dan oval coklat sesuai dengan supermode tinggi urutan
Daya output array QCL fase-terkunci rongga terbatas karena efisiensi coupling yang rendah antara rongga Talbot dan saluran array. Untuk meningkatkan lebih jauh daya output array QCL rongga Talbot, faktor pengisian (rasio lebar kiri terhadap periode) harus ditingkatkan. Namun, memperlebar lebar saluran akan menimbulkan emisi mode tinggi urutan dari elemen array. Mengurangi jarak pusat-ke-pusat akan meningkatkan akumulasi panas. Struktur tapered adalah salah satu metode terbaik untuk meningkatkan faktor pengisian pada saat memastikan operasi mode dasar kiri itu sendiri. Dalam surat ini, struktur tapered dieksploitasi dan rongga Talbot diintegrasikan di satu sisi struktur tapered masing-masing. Perangkat dengan ujung lurus yang terhubung ke rongga Talbot menunjukkan operasi supermode dasar dengan divergensi far-field hampir terbatas difraksi (D.L.) sebesar 2,7°. Sebaliknya, perangkat dengan ujung tapered yang terhubung ke rongga Talbot menunjukkan operasi supermode tinggi urutan terlepas dari panjang rongga Talbot. Daya puncak maksimal sebesar 1,3 W diperoleh untuk perangkat dengan ujung lurus yang terhubung ke rongga Talbot dengan densitas arus ambang 3,7 kA/cm2 dan efisiensi lereng 0,6 W/A pada 298 K.
Metode
Wafer QCL ditanam pada substrat wafer InP doped n (Si, 2 × 1017 cm−3) oleh epitaksi aliran molekular solid-source (MBE). Struktur wilayah aktif (AR) terdiri dari 35 periode sumur kuantum dan penghalang In0.67Ga0.33As/In0.37Al0.63As yang dikompensasi tekan. Struktur wafer keseluruhan sebelum fabrikasi adalah lapis cladding InP bawah 4 µm (Si, 3 × 1016 cm−3), lapis n-In0.53Ga0.47As tebal 0,3 µm (Si, 4 × 1016 cm−3), 35 tahap aktif/injektor, lapis n-In0.53Ga0.47As tebal 0,3 µm (Si, 4 × 1016 cm−3), lapis cladding InP atas tebal 2,6 µm (Si, 3 × 1016 cm−3), lapis InP secara bertahap tebal 0,15 µm (berubah dari 1 × 1017 ke 3 × 1017 cm−3), dan lapis cladding InP yang sangat doped tebal 0,4 µm (Si, 5 × 1018 cm−3).
Setelah epitaksi di MBE, perangkat di-etch dengan metode etching kimia basah kemudian di-deposisi SiO2 450 nm dengan deposisi uap kimia ditingkatkan plasma (PECVD). Setelah membuka jendela injeksi listrik, kontak logam atas dibentuk. Dua bagian rongga Talbot dan array tapered terhubung secara listrik melalui kontak logam Au atas. Kemudian, substrat wafer ditepenkan dan kontak logam bawah disediakan. Wafer dipecahkan menjadi sekitar 2 mm panjang dengan gergaji pemotong untuk mengontrol panjang rongga Talbot dengan tepat. Terakhir, perangkat dipadatkan sisi epilayer ke bawah pada penyerap panas tembaga dengan solderium indium. Karena bagian rongga Talbot diinjeksi listrik, panas akan menumpuk karena dimensinya lebar, yang harus dihindari dengan menggunakan isolasi listrik di pekerjaan masa depan. Bagian rongga Talbot mungkin dapat diganti dengan materi waveguide lain dengan menggunakan fabrikasi yang rumit seperti bonding dan perataan wafer, dan operasi fase-terkunci mungkin masih dapat dicapai. Menurut distribusi supermode rongga Talbot pada Gambar 1, panjang rongga Talbot kami ditentukan menjadi Zt/8 mirip dengan ref. [19] yang sekitar 104 µm dalam surat ini. Gambar 2 menunjukkan sketsa dan gambar mikroskop dari perangkat. Array berisi lima elemen tapered dan satu rongga Talbot. Elemen tapered terdiri dari ujung tapered panjang 1 mm dan ujung lurus sekitar 0,9 mm dengan lebar yang berubah dari 10 hingga 16 µm. Jarak pusat-ke-pusat antara elemen yang bersebelahan dalam array adalah 25 µm, dan panjang setiap perangkat laser sekitar 2 mm. Panjang rongga Talbot dalam paper ini sekitar 104 µm.
a Sketsa elemen tapered dalam array; sketsa 3D array dengan b ujung lurus terhubung ke rongga Talbot dan c ujung tapered terhubung ke rongga Talbot, yang sesuai dengan citra mikroskop aspek depan dari d dan e
Hasil dan Pembahasan
Menurut teori coupled mode, jumlah supermode dalam array fase-terkunci sama dengan jumlah elemen [24]. Misalnya, array fase-terkunci dengan lima elemen akan memiliki lima supermode. Mengasumsikan hanya coupling bersebelahan antara elemen array di rongga Talbot, pola distribusi near-field dari supermode berbeda urutan dapat diperoleh dengan matriks coupled [24]. Kekuatan near-field yang berubah sebagai fungsi dari dimensi lateral array dapat ditunjukkan sebagai [25]:
di mana j adalah urutan supermode, M adalah jumlah elemen array, ω adalah pusat berkas Gauss di setiap elemen, dan xm adalah lokasi pusat setiap elemen. Hasil simulasi supermode berbeda urutan ditunjukkan pada Gambar 3a. Pola far-field yang sesuai dapat diperoleh dengan transformasi Fourier dari distribusi near-field, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3b.
a Pola near-field yang dihitung dari supermode urutan N = 1, 3, 5 dalam array difraksi-terkunci lima elemen. Supermode dasar (N = 1) dihitung berdasarkan perangkat ujung lurus terhubung ke rongga Talbot, dan supermode tinggi urutan (N = 3, 5) berdasarkan tapered terhubung ke rongga Talbot. b Pola far-field yang disimulasikan sesuai dengan a. c Distribusi far-field yang diukur dari array QCL dengan ujung lurus terhubung ke rongga Talbot. d Distribusi far-field yang diukur dari array QCL dengan ujung tapered terhubung ke rongga Talbot
Pola far-field dari array fase-terkunci rongga Talbot diukur dari aspek waveguide array menggunakan teknik lock-in dengan detektor merkuri-kadmium-telurida (MCT) suhu kamar. Array QCL yang dipasang pada panggung rotasi ditempatkan sekitar 25 cm dari detektor MCT dan dikontrol oleh perangkat lunak buatan sendiri untuk pengumpulan data. Pola far-field yang diukur dari array rongga Talbot ditunjukkan pada Gambar 3c, d, yang sesuai dengan perangkat ujung lurus terhubung ke rongga Talbot dan perangkat ujung tapered terhubung ke rongga Talbot. Distribusi far-field pada Gambar 3c menunjukkan lob pusat yang kuat pada 0°, yang menunjukkan keberadaan operasi supermode dasar menurut teori coupled mode. Lebar setengah maksimum (FWHM) sekitar 2,7°, yang menunjukkan sudut divergensi terbatas difraksi (D.L.) sesuai dengan rumus D.L.: sin θ = 1.22λ/d, di mana θ adalah sudut D.L., λ adalah panjang gelombang, dan d adalah lebar output cahaya array. Untuk emitter tunggal tapered dengan lebar output cahaya 16 µm, divergensi FWHM D.L. sekitar 21°. Lob samping muncul sekitar ~12° yang sangat dekat dengan lokasi FWHM dari envelop far-field emitter tunggal. Intensitas lob pusat dan lob samping sesuai dengan distribusi pola far-field emitter tunggal. Oleh karena itu, lob samping memiliki setengah intensitas dari lob pusat. Selain itu, profil far-field lob tunggal array dapat diperoleh dengan meningkatkan lebar kiri untuk mengurangi divergensi elemen array. Lebar kiri yang lebih luas dapat dicapai dengan memperlebar tapered. Pola far-field pada Gambar 3d tidak memiliki lob pada posisi pusat 0°, tetapi terutama berupa lob ganda, yang menunjukkan operasi supermode tinggi urutan, yang sesuai dengan supermode tiga urutan pada Gambar 3b. Untuk mendapatkan operasi supermode dasar, kami memfabrikasi perangkat dengan panjang rongga Talbot yang berbeda dari 90 hingga 110 µm dengan langkah 1 µm. Sayangnya, operasi supermode dasar dalam perangkat dengan ujung tapered terhubung ke rongga Talbot tidak dapat diperoleh terlepas dari panjang rongga Talbot.
Hasil far-field dari dua jenis array dapat dijelaskan dengan model teoretis dalam ref. [19, 21]. Rongga Talbot dapat didekati sebagai cermin refleksi dengan reflektivitas ekuivalen yang berbeda untuk supermode yang berbeda; reflektivitas ekuivalen yang tinggi berarti efisiensi gain yang tinggi dan ambang gain yang rendah. Perhitungan dan simulasi reflektivitas ekuivalen mirip dengan ref. [19]. Gambar 4 menunjukkan hasil simulasi intensitas reflektivitas ekuivalen untuk supermode berbeda urutan yang berubah sebagai fungsi dari panjang rongga Talbot. Karena supermode urutan N = 2, 4 dalam array fase-terkunci selalu memiliki kehilangan waveguide yang lebih besar daripada supermode urutan N = 1, 3, 5, mereka diabaikan dalam simulasi ini. Untuk array ujung lurus terhubung ke rongga Talbot, supermode dasar memiliki reflektivitas ekuivalen tertinggi dan diskriminasi yang besar dibandingkan supermode tinggi urutan sekitar Zt/8. Untuk ujung tapered terhubung ke rongga Talbot, diskriminasi antara supermode dasar dan supermode tinggi urutan relatif kecil. Dalam kasus ini, laser cenderung bekerja dengan supermode tiga urutan karena diskriminasi mode yang lemah dalam perangkat ujung tapered terhubung ke rongga Talbot.
Intensitas reflektivitas ekuivalen teoretis rongga Talbot berubah sebagai fungsi dari panjang rongga Talbot untuk supermode urutan N = 1, 3, 5 dari array QCL rongga Talbot lima elemen, bagian atas menunjukkan ujung lurus terhubung ke rongga Talbot dan bagian bawah menunjukkan ujung tapered terhubung ke rongga Talbot
Daya optik yang dipancarkan diukur dengan detektor termopil terkalibrasi yang ditempatkan langsung di depan aspek waveguide laser. Pengukuran spektrum dilakukan menggunakan spektrometer inframerah transformasi Fourier (FTIR) dengan resolusi 0,25 cm−1 dalam mode skan cepat. Gambar 5a menunjukkan karakteristik daya-arus (P-I) dalam mode pulsed dengan driver arus dipertahankan pada 2 kHz dengan siklus tugas 0,2%. Untuk perangkat array QCL ujung lurus terhubung ke rongga Talbot, daya puncak total sebesar 1,3 W diperoleh pada 298 K dengan densitas arus ambang 3,7 kA/cm2 dan efisiensi lereng 0,6 W/A, yang sesuai dengan daya output 1,6 W dengan densitas arus ambang 3,4 kA/cm2 dan efisiensi lereng 0,65 W/A untuk array tapered seperti yang ditunjukkan dengan garis biru dan ungu. Sebagai kontras, perangkat laser tunggal dengan kiri panjang 2 mm × lebar 10 µm menunjukkan daya puncak maksimal 0,41 W, densitas arus ambang 3 kA/cm2, dan efisiensi lereng 1 W/A. Daya output array dengan operasi dasar adalah tiga kali lipat dari emitter tunggal. Untuk menyajikan hasil uji secara singkat, karakteristik output dari tiga perangkat diringkas dalam Tabel 1. Daya output rata-rata dari setiap elemen sekitar 63% dari emitter tunggal, yang lebih tinggi dari pada ref. [19]. Ref. [26] melaporkan array QCL fase-terkunci dengan filter Talbot intra-ruang dengan daya rata-rata elemen array individu sama dengan 43% dari emitter tunggal. Efisiensi lebih rendah daripada perangkat dengan satu jantung antara rongga Talbot dan elemen array karena kehilangan optik tambahan di dua lingkaran jantung yang disebabkan oleh metode etching basah. Ref. [27] melaporkan perangkat enam elemen terintegrasi dengan rongga Talbot dengan daya output lima kali lipat dari emitter tunggal dengan efisiensi coupling sekitar 83%. Efisiensi lebih rendah dalam perangkat kami paling mungkin karena kehilangan difraksi tepi yang lebih kuat di rongga Talbot dan fabrikasi dengan metode etching basah. Pekerjaan berikutnya harus mengadopsi metode etching kering dan meningkatkan panjang zona tapered untuk mendapatkan penskalaan daya lebih lanjut. Inset Gambar 4a menunjukkan spektrum laser dari array fase-terkunci pada suhu kamar dan 1,3 Ith. Panjang gelombang pusat diukur menjadi 4,8 µm dengan sifat multi-mode yang timbul dari kurangnya mekanisme seleksi mode linsial. Spektrum single-mode dapat dicapai dengan memperkenalkan grating umpan balik terdistribusi (DFB) pada lapis cladding atas. Karakteristik termal QCL area luas dan array QCL disimulasikan dengan perangkat lunak elemen hingga COMSOL. Lebar kiri tetap diatur pada 10 µm dan jarak antar elemen array berubah dari 0 hingga 20 µm dengan langkah 5 µm. Gambar 5b menunjukkan suhu AR yang berubah sebagai fungsi dari jarak antar elemen array. Suhu AR dalam perangkat kiri lebar sekitar 20 K lebih tinggi daripada pada perangkat rongga Talbot.
a Perubahan daya puncak total sebagai fungsi dari arus injeksi pada 298 K untuk array QCL ujung lurus (garis biru)/ujung tapered (garis ungu) terhubung ke rongga Talbot dan laser tunggal panjang 2 mm × lebar 10 µm (garis hijau). Semua perangkat tidak memiliki lapisan di kedua sisi rongga. Driver arus dipertahankan pada 2 kHz dengan siklus tugas 0,2%. Inset adalah spektrum laser dari array ujung lurus pada 1,3 kali arus ambang, yang mencapai puncak sekitar 4,8 µm. b Suhu wilayah aktif array QCL berubah sebagai fungsi dari jarak antar elemen array. Lebar kiri elemen array tetap diatur pada 10 µm, dan jarak berubah dari 0 hingga 20 µm dengan langkah 5 µm
Kesimpulan
Dalam kesimpulan, kami telah menunjukkan array QCL tapered terintegrasi dengan rongga Talbot pada ujung lurus dan ujung tapered masing-masing. Perangkat dengan rongga Talbot terintegrasi di ujung lurus menunjukkan pola far-field mode dasar dengan divergensi D.L. sebesar 2,7° pada panjang gelombang emisi 4,8 µm. Daya output sebesar 1,3 W diperoleh untuk array ujung lurus dengan efisiensi lereng 0,6 W/A. Karena array fase-terkunci rongga Talbot tidak memerlukan jarak coupling yang sangat dekat, akumulasi panas lebih rendah daripada array terhubung gelombang halus. Perangkat ini memiliki potensi untuk array QCL kecerahan tinggi dengan operasi siklus tugas tinggi dan divergensi D.L. Pekerjaan masa depan harus difokuskan pada pemilihan lebar kiri dan jarak antar elemen array yang tepat, penggunaan waveguide kiri tertutup, dan manajemen panas dengan pendingin imping mikro [28]. Selain itu, pengurangan jumlah kaskad AR akan memberikan kontribusi besar pada operasi siklus tugas tinggi QCL kecerahan tinggi [29].
