Operasi Single-Mode Stabil, Daya Tinggi, Ambang Rendah dalam Laser Quantum Cascade Bergrating Tertanam
Abstrak
Operasi single-mode stabil, daya tinggi, ambang rendah laser quantum cascade berdistribusi umpan (DFB) yang tertanam dengan grating sampel yang memancarkan pada λ ~ 4,87 μm telah ditunjukkan. Daya output CW kontinu tinggi 948 mW dan 649 mW untuk panjang kavitasi 6 mm dan 4 mm diperoleh pada 20 °C, masing-masing, yang mendapat manfaat dari distribusi medan optik yang dioptimalkan dari grating sampel. Hasil single-mode perangkat ditingkatkan secara signifikan dengan mengontrol posisi pemotongan dari dua sisi akhir secara tepat. Akibatnya, emisi single-mode stabil dan pengaturan mode secara linear tanpa perpindahan mode dari perangkat diperoleh pada berbagai suhu pendingin atau arus injeksi yang tinggi.
Pendahuluan
Laser quantum cascade (QCL) telah menjadi salah satu sumber cahaya inframerah tengah yang paling menjanjikan dan menarik banyak perhatian untuk aplikasi penginderaan jauh, spektroskopi resolusi tinggi, dan pemantauan proses industri sejak demonstrasi pertamanya karena fitur unggulnya seperti jangkauan panjang gelombang yang luas, ukuran kecil, dan daya output tinggi [1,2,3,4]. Untuk aplikasi tersebut, emisi single-mode dan daya output tinggi biasanya diinginkan, yang dapat dicapai oleh DFB QCL. Pendekatan grating tertanam telah banyak diadopsi untuk kerugian gelombang yang lebih rendah, densitas arus ambang yang lebih rendah, dan hasil single-mode yang lebih tinggi dibandingkan dengan grating permukaan [5, 6]. Hingga saat ini, serangkaian kemajuan signifikan berdasarkan pendekatan grating tertanam telah dilakukan dalam meningkatkan performa DFB QCL single-mode stabilitas dan daya output [7, 8], tetapi mekanisme umpan berlebihan dari grating tertanam menghambat peningkatan daya output lebih lanjut. Nilai tipikal daya output CW DFB QCL grating tertanam seragam yang memancarkan sekitar 4,6–5 μm kurang dari 300 mW pada suhu kamar [5, 9]. Secara teoritis, koefisien kopling grating tertanam dapat ditingkatkan dengan mengoptimalkan kedalaman grating dan siklus kerja. Namun, kinerja umpan distribusi sangat sensitif terhadap profil etching grating dalam lapisan semikonduktor dekat area aktif. Variasi kecil dalam kedalaman etching dan siklus kerja akan sangat mempengaruhi koefisien kopling grating [10, 11]. Selain itu, juga sulit untuk meningkatkan kopling grating dengan mengontrol kedalaman grating dan siklus kerja secara tepat berdasarkan teknik litografi holografik biaya rendah dan etching kimia basah. Secara umum, DFB QCL konvensional berosilasi pada dua frekuensi yang sedikit berbeda dari frekuensi Bragg, yang dapat lase tergantung pada kerugian optik yang dipengaruhi oleh fase acak sisi [12,13,14].
Dalam karya ini, kami menawarkan penggunaan grating sampel tertanam dengan siklus kerja sampling kecil untuk mengoptimalkan koefisien kopling dan meningkatkan distribusi medan optik. Keunggulan utama dari metode ini adalah mampu untuk meningkatkan panjang kavitasi perangkat untuk gain optik yang cukup sambil mempertahankan kekuatan kopling grating yang diinginkan. Untuk meningkatkan hasil single-mode dan performa akhir, posisi pemotongan dari dua sisi akhir dikontrol secara tepat untuk menghindari efek fase acak sisi. Di satu sisi, pendekatan ini mempertahankan keuntungan kerugian gelombang kecil untuk densitas arus ambang rendah dan kompatibel dengan pemrosesan heterostruktur tertanam. Selain itu, grating sampel diproduksi hanya melalui paparan holografis konvensional yang digabungkan dengan litografi optik, yang mengarah pada fleksibilitas, ketidakberulangan, dan keefektifan biaya yang ditingkatkan. Akibatnya, DFB QCL single-mode daya output tinggi dan ambang rendah yang memancarkan pada λ ∼ 4,87 μm dicapai secara bersamaan dalam struktur grating sampel tertanam. Densitas arus ambang dari DFB-QCL ini rendah hingga 1,05 kA/cm2 dan satu sisi menghasilkan 948 mW daya output CW untuk perangkat dengan panjang kavitasi 6 mm pada 20 °C.
Metode
Diagram DFB QCL grating seragam ditunjukkan dalam Gambar 1a; tanda I, II, III, dan IV mewakili empat jenis posisi sisi akhir yang dapat dipotong. Seperti yang kita ketahui, sulit untuk mengontrol dengan tepat posisi sisi akhir yang dipotong untuk grating seragam skala nano. Akibatnya, mode emisi berbeda dari perangkat ke perangkat karena posisi sisi akhir yang dipotong acak. Di sini kami mensimulasikan dan menghitung perbedaan kerugian dari dua mode sisi dan spektrum kerugian mode dari empat jenis posisi sisi akhir yang dapat dipotong I, II, III, dan IV berdasarkan metode matriks transfer dengan MATLAB. Nilai absolut perbedaan kerugian dari dua mode sisi dari empat jenis posisi sisi akhir yang dapat dipotong I, II, III, dan IV ditunjukkan dalam Gambar 1b; absis direpresentasikan sebagai posisi relatif dari I, II, III, dan IV (asumsi bahwa sisi lain dimulai dengan puncak grating dan sesuai dengan fase nol, maka fase yang sesuai dari I, II, III, dan IV adalah 0, π/2, π, dan 3π/2). Gambar 1c, d, e, dan f menunjukkan spektrum kerugian mode dari empat jenis posisi sisi akhir yang dapat dipotong secara detail. Seperti yang telah dilihat, mode lase dan perbedaan kerugian berbeda dari perangkat ke perangkat dipengaruhi oleh fase acak sisi. Gambar 2a menunjukkan distribusi medan optik terstandarisasi yang sesuai dari empat jenis posisi sisi akhir yang dapat dipotong I, II, III, dan IV yang disimulasikan dengan metode matriks transfer yang sama. Gambar 2b dan c adalah perbesaran distribusi medan optik di dekat dua sisi akhir. Seperti yang kita lihat, intensitas kedua sisi akhir tidak sepenuhnya simetris, yang disebabkan oleh posisi yang tidak simetris dari kedua sisi akhir. Di sini kami menunjukkan situasi dengan kekuatan kopling κ × L = 17, yang berlebihan. Intensitas cahaya puncak di tengah perangkat cepat menurun menuju kedua ujung, yang dapat menyebabkan pembakaran lubang spasial yang parah, dan pada gilirannya, mempertahankan operasi single-mode stabil mungkin menjadi sulit [15].
a Diagram struktur grating seragam; denotasi I, II, III, dan IV mewakili empat jenis posisi sisi akhir yang dapat dipotong. b Nilai absolut perbedaan kerugian mode untuk berbagai posisi sisi akhir yang dapat dipotong I, II, III, dan IV, dan absis direpresentasikan sebagai fase yang sesuai dari posisi sisi akhir yang dapat dipotong I, II, III, dan IV. c–f Spektrum kerugian mode dari empat jenis posisi sisi akhir yang dapat dipotong I, II, III, dan IV, masing-masing
a Distribusi medan optik yang sesuai dari struktur grating seragam untuk empat jenis posisi sisi akhir yang dapat dipotong I, II, III, dan IV. b, c Perbesaran distribusi medan optik di dekat dua sisi akhir
Di sini kami mengambil langkah struktur grating sampel untuk meningkatkan distribusi intensitas optik berdasarkan periode sampling P = 15 μm dan panjang blok u = 5 μm yang sesuai dengan siklus kerja sampling σ = u/P = 1/3, yang ditunjukkan dalam Gambar 3a. Garis titik vertikal dalam Gambar 3a mewakili posisi sisi akhir yang dipotong, yang menyimpang dari wilayah blok untuk menghindari perkenalan fase acak sisi akhir. Koefisien kopling efektif κeff yang sesuai dapat secara sederhana diberikan oleh hasil kali koefisien kopling κ dari grating seragam kali siklus kerja σ dari grating sampel, yaitu, κeff = κ × σ [16]. Jadi koefisien kopling dari grating sampel dapat disesuaikan sembarangan oleh siklus kerja grating sampel, yang bermanfaat untuk mengoptimalkan kekuatan kopling grating sampel. Akibatnya, daya output dapat ditingkatkan. Gambar 3b menunjukkan spektrum transmisi yang dihitung dari grating sampel berdasarkan metode matriks transfer dan spektrum elektroluminesensi (EL) yang diukur dalam kondisi pulsa. λ−1 dan λ+1 adalah mode super tambahan yang diperkenalkan oleh grating sampel. Jarak spektral berdekatan dari mode super dapat dihitung oleh Δλ = λB2/(2neffP) di mana neff adalah indeks efektif gelombang dan λB adalah panjang gelombang Bragg dari grating seragam dasar [17]. Meskipun keberadaan mode super dapat mempengaruhi stabilitas single-mode, mode super dapat dirancang jauh dari pusat kurva gain dengan memilih periode sampling P yang kecil sesuai dengan rumus jarak spektral mode super. Dalam studi kami, periode grating Bragg dasar Λ, periode sampling P, indeks efektif gelombang neff, dan siklus kerja σ adalah 0,758 μm, 15 μm, 3,21, dan 1/3, masing-masing, jadi jarak spektral berdekatan dari mode super sekitar 246 nm. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3b, panjang gelombang Bragg (orde 0) dirancang di sekitar puncak kurva gain, sementara panjang gelombang orde +1 dan −1 berada 246 nm dari pusat kurva gain secara terpisah. Akhirnya, lase single-mode stabil pada mode orde 0 dalam studi kami dapat dicapai. Gambar 4a menunjukkan simulasi distribusi medan optik dari grating sampel pada berbagai arus injeksi. Seperti yang dapat dilihat, telah terjadi perbaikan dramatis dalam distribusi intensitas medan optik untuk struktur grating sampel di dua sisi akhir, yang sesuai dengan perbaikan besar dalam daya output. Gambar 4b adalah perbesaran distribusi medan optik di dekat salah satu sisi akhir, dan Gambar 4c menampilkan variasi detail intensitas medan optik di sisi akhir dengan arus injeksi. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4b, profil distribusi medan optik tidak halus tetapi fluktuatif. Fluktuasi disebabkan oleh “refleksi antarmuka” antara wilayah blok dan wilayah non-grating dalam setiap periode sampling yang menginduksi konsentrasi densitas energi yang “terlokalisasi” sepanjang kavitasi. Selain itu, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4c, variasi distribusi intensitas relatif sisi akhir tidak linier dengan arus injeksi, yang dapat menyebabkan non-linearitas dalam kurva daya–arus perangkat.
a Diagram struktur grating sampling, garis titik vertikal mewakili posisi sisi akhir yang dipotong, P adalah periode sampling, dan u adalah panjang wilayah grating dalam satu periode sampling. b Garis biru adalah spektrum transmisi yang dihitung dari grating sampel yang dirancang, dan garis merah adalah spektrum elektroluminesensi yang diukur dari wafer yang diproduksi
a Distribusi medan optik yang disimulasikan dari grating sampling pada berbagai arus injeksi. b Perbesaran distribusi medan optik di dekat salah satu sisi akhir. c Variasi detail intensitas relatif medan optik di sisi akhir dengan arus injeksi
Struktur QCL ditumbuhkan pada substrat n-InP (Si, 2 × 1017 cm−3) oleh epitaksi molekular beam solid-source (MBE). Inti aktif terdiri dari 40 tahap strain-compensated In0.67Ga0.33As/In0.37Al0.63As kuantum wells dan barrier yang menyediakan saluran transisi elektron untuk menghasilkan foton, yang dikelilingi oleh lapisan konfinement InGaAs atas dan bawah. Grating didefinisikan pada lapisan konfinement InGaAs atas menggunakan teknik litografi holografik double-beam yang digabungkan dengan litografi optik konvensional. Kemudian, lapisan gelombang atas ditumbuhkan oleh epitaksi fasa uap logam organik (MOVPE). Setelah itu, wafer diproses menjadi laser gelombang saluran ganda dengan lebar inti rata-rata sekitar 10 μm yang diisi dengan InP:Fe semi-insulasi untuk penghapusan panas yang efisien. Lapisan SiO2 450 nm kemudian ditetapkan oleh deposit fasa uap kimia ditingkatkan plasma (PECVD) untuk isolasi, dan kontak listrik disediakan oleh lapisan Ti/Au yang ditetapkan oleh evaporasi beam elektron. Lapisan emas tambahan 5 μm diplating listrik untuk meningkatkan dissipasi panas. Setelah ditebalkan menjadi sekitar 140 μm, lapisan kontak logam Ge/Au/Ni/Au ditetapkan pada sisi substrat. Kemudian gelombang dipotong menjadi bar 4 mm dan 6 mm, dan lapisan refleksi tinggi (HR) yang terdiri dari Al2O3/Ti/Au/Al2O3 (200/10/100/120 nm) ditetapkan pada salah satu sisi oleh evaporasi beam elektron, meninggalkan sisi tanpa lapisan untuk pengukuran daya emisi tepi. Terakhir, laser dipasang dengan sisi epilayer ke bawah pada pendingin berlian dengan solder indium, yang kemudian disolder pada pendingin tembaga untuk dissipasi panas yang efisien.
Hasil dan Pembahasan
Spektrum perangkat diuji oleh spektrometer inframerah transformasi Fourier dengan resolusi 0,25 cm−1. Laser kemudian dipasang pada pemegang yang berisi termistor yang digabungkan dengan pendingin termoelektrik untuk memantau dan menyesuaikan suhu sub-mount. Daya optik yang dihasilkan diukur dengan detektor termopile yang dikalibrasi yang ditempatkan di depan sisi laser tanpa koreksi apa pun.
Gambar 5 dan 6 menunjukkan spektrum emisi dan karakteristik cahaya–arus–tegangan (L–I–V) dari perangkat dengan panjang kavitasi 4 mm dan 6 mm DFB QCL grating sampling, masing-masing. Seperti yang telah dilihat, spektrum bervariasi secara linear 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 kavitasi 4 mm dan 6 mm pada 1,2 A dan 1,4 A, masing-masing. Selain itu, densitas arus ambang CW rendah dari perangkat 1,59 kA/cm2 dan 1,05 kA/cm2 pada 20 °C untuk panjang kavitasi 4 mm dan 6 mm dicapai, yang sepenuhnya mencerminkan keuntungan kerugian gelombang kecil dan densitas arus ambang rendah dari grating tertanam. Seperti yang telah diamati dari spektrum lase, mode lase linier dengan perubahan suhu atau arus injeksi, yang menunjukkan bahwa perpindahan mode tidak terjadi selama perubahan arus injeksi atau suhu. Namun, kurva daya–arus tidak linier, yang disebabkan oleh fluktuasi distribusi medan optik dari struktur grating sampling dan perubahan tidak merata intensitas medan optik di sisi akhir dengan arus injeksi yang dianalisis sebelumnya.
a Spektrum emisi CW single-mode dari DFB QCL grating sampling dengan panjang kavitasi 4 mm pada arus sekitar 1,1 × Ith untuk berbagai suhu pendingin 15–70 °C. Inset menunjukkan spektrum emisi CW pada berbagai arus injeksi dari 0,63 hingga 1,08 A dengan langkah 0,05 A pada 20 °C. b Karakteristik cahaya–arus–tegangan (L–I–V) CW dari DFB QCL grating sampling dengan panjang kavitasi 4 mm pada berbagai suhu
a Spektrum emisi CW single-mode dari DFB QCL grating sampling dengan panjang kavitasi 6 mm pada arus sekitar 1,1 × Ith untuk berbagai suhu pendingin 15–70 °C. Inset menunjukkan spektrum emisi CW pada berbagai arus injeksi dari 0,63 hingga 1,38 A dengan langkah 0,05 A pada 20 °C. b Karakteristik cahaya–arus–tegangan (L–I–V) CW dari DFB QCL grating sampling dengan panjang kavitasi 6 mm pada berbagai suhu.
Gambar 7 menunjukkan profil far-field dari perangkat pada operasi pulsa sekitar 1,25 × Ith pada suhu kamar. Gambar 7a menunjukkan profil far-field sepanjang arah lebar gelombang, dan Gambar 7b menampilkan profil far-field sepanjang arah pertumbuhan epitel. Studi eksperimental menunjukkan bahwa mode transverse dasar lebih mudah menjadi mode lase dalam struktur grating tertanam daripada dalam struktur grating logam permukaan karena kerugian mode transverse dasar meningkat karena kopling antara mode transverse dasar dan kontak logam atas dalam struktur grating logam permukaan [6]. Menurut itu, profil far-field dari mode transverse dasar dengan lebar setengah maksimum (FWHM) 28,2° sepanjang arah lebar gelombang telah didapat dalam eksperimen kami. Jadi keuntungan yang jelas lainnya dari konformasi grating tertanam ditampilkan bahwa mode lase umumnya adalah mode transverse dasar dengan profil far-field satu lob, yang mendukung kolimasi. Selain itu, FWHM besar 50,1° sepanjang arah pertumbuhan epitel didapatkan karena lubang emisi kecil yang berada pada urutan yang sama dengan panjang gelombang.
a Profil far-field sepanjang arah lebar gelombang. b Profil far-field sepanjang arah pertumbuhan epitel
Kesimpulan
Kesimpulannya, DFB QCL single-mode emisi stabil, ambang rendah, dan daya output tinggi dengan grating sampling telah dicapai. Daya output CW maksimum dan densitas arus ambang adalah 0,948 W (0,649 W) dan 1,05 kA/cm2 (1,59 kA/cm2) untuk kavitasi 6 mm (4 mm). Perbaikan besar dalam distribusi medan optik terwujud dengan memperkenalkan siklus kerja sampling kecil untuk mengurangi kekuatan kopling. Profil far-field satu lob juga diamati. Jadi untuk DFB QCL tertanam, penggabungan grating sampling adalah metode yang sederhana dan efektif untuk mencapai perangkat dengan daya output tinggi, ambang rendah, emisi single-mode stabil, dan hasil single-mode tinggi.
