Lonjakan Mode Gel Pendek yang Tidak Biasa dalam Laser Kuantum Kaskad DBR Daya Tinggi

Abstrak

Kami melaporkan lonjakan mode gel pendek yang tidak terduga dalam laser kuantum kaskad (QCL) dengan reflektor Bragg terdistribusi (DBR) yang memancarkan di dekat 7,6 µm. Perangkat dua bagian—bagian gain dan bagian Bragg tidak dipompa—menghasilkan >0,6 W keluaran CW pada suhu ruang. Berlawanan dengan drift gel panjang konvensional dengan kenaikan suhu atau arus injeksi, mode lasing sesekali melompat ke gel yang lebih pendek. Analisis modal menunjukkan bahwa perubahan indeks refraksi yang diinduksi oleh suhu menggeser mode longstruktur lebih cepat daripada puncak Bragg, yang mengarah pada transisi yang diamati.

Pendahuluan

Laser kuantum kaskad berbeda dari laser semikonduktor konvensional dengan beroperasi pada transisi antar-subband dalam banda konduksi, yang memungkinkan emersi infra merah tengah hingga jauh. Cakupan spektral yang luas membuatnya tak tergantikan untuk penginderaan gas, spektroskopi resolusi tinggi, dan pemantauan industri. Namun, banyak aplikasi memerlukan garis sempit dan daya keluaran tinggi. QCL dengan umpan balik terdistribusi (DFB) dan ruang eksternal (EC) biasanya menyediakan operasi satu mode tetapi terbatas pada keluaran ~100 mW dan jangkauan penyesuaian yang sempit. QCL dengan reflektor Bragg terdistribusi (DBR) menawarkan platform kompak untuk emisi satu mode daya tinggi, namun perilaku spektral detail belum banyak dieksplorasi. Di sini, kami menyajikan QCL DBR dan menyelidiki lonjakan mode anomali secara mendalam.

Metode

Grating DBR didefinisikan melalui interferometri holografi dua sinar. Perangkat terdiri dari bagian gain (L_G), bagian DBR (L_DBR), dan ranjau isolasi arus. Inti QCL ditumbuhkan pada n-InP dengan MBE sumber padat, menggunakan 50 kuantum wells In₀.₅₈Ga₀.₄₂As/In₀.₄₇Al₀.₅₃As yang dikompensasi regangan (lihat urutan ketebalan dalam sumber). Lapisan SiO₂ 100 nm ditetapkan di atas lapisan pengikat atas; wilayah DBR dietch hingga kedalaman ~130 nm, diikuti dengan penghapusan SiO₂. Gelombang atas ditumbuhkan ulang oleh MOVPE, menghasilkan cladding InP atas 3 µm, lapisan InP terdoping bertingkat 0,15 µm, dan lapisan kontak InP yang sangat terdoping 0,85 µm. Wafer diproses menjadi gelombang ridge dua saluran (lebar inti ≈10 µm) dengan InP:Fe semi-insulasi untuk isolasi termal dan listrik. Ranjau isolasi arus 200 µm (kedalaman 1,1 µm) memisahkan bagian gain dan DBR. Setelah insulasi SiO₂, kontak Ti/Au ditetapkan dan lapisan Au 5 µm dielktroplate untuk penyerap panas. Perangkat (panjang 6 mm) dibelah menjadi daerah gain 4,3 mm, DBR 1,5 mm, dan isolasi 0,2 mm, lalu dilem pada kerucut berlian dan pemegang tembaga di sisi epilayer bawah.

Hasil dan Pembahasan

Spektrum emersi dicatat dengan spektrometer infra merah transformasi Fourier (resolusi 0,125 cm⁻¹). Karakteristik P-I-V diukur dengan detektor termopile yang dikalibrasi. Laser dipasang pada pemegang yang dilengkapi termistor dan pendingin termolistrik untuk mengontrol suhu dasar. Gambar 2a menunjukkan spektrum CW pada 1,005 I_th saat suhu kerucut dipanaskan bervariasi dari 20 °C hingga 70 °C dalam langkah 2 °C. Inset Gambar 2b memplot spektrum 24 °C pada skala logaritmik, mengungkapkan rasio penindasan mode samping (SMSR) ≈25 dB. Berlawanan dengan QCL DFB konvensional, yang bergeser ke gel panjang secara linier dengan suhu atau arus, perangkat DBR kami menunjukkan lonjakan mode gel pendek anomali seiring kenaikan suhu. Untuk menjelaskan hal ini, kami memeriksa mekanisme seleksi mode. Gambar 3a menampilkan kurva gain wafer yang diukur dan profil refleksi Bragg yang dihitung (reflektivitas 98 % untuk grating 1,5 mm). Skema dalam Gambar 3b menunjukkan bagaimana gain, puncak Bragg, dan mode longstruktur bergeser dengan suhu. Puncak gain bergerak pada −0,581 cm⁻¹ K⁻¹, sementara puncak Bragg bergeser pada −0,128 cm⁻¹ K⁻¹. Karena puncak Bragg tetap di sisi gel pendek dari gain, mode longstruktur, yang mengikuti perubahan indeks refraksi, akhirnya bergerak lebih cepat daripada puncak Bragg, memaksa lonjakan mode ke mode longstruktur berikutnya yang tersedia. Hal ini menjelaskan lonjakan anomali yang diamati. Jarak mode longstruktur dihitung dari panjang gelombang efektif: L_eff = (1/2κ) tanh(κL_DBR), di mana κ = (1/Λ)(Δn̄/n̄). Untuk DBR fisik 1,5 mm, L_eff ≈0,291 mm, menghasilkan jarak teoretis 0,328 cm⁻¹, yang sepakat dengan interval eksperimental 0,12 cm⁻¹ yang diamati. Gambar 5 mengilustrasikan fenomena yang sama dengan peningkatan arus injeksi. Lonjakan anomali pertama mencakup 0,904 cm⁻¹ (melintasi tiga mode), diikuti oleh lonjakan 0,301 cm⁻¹. Kurva P-I menunjukkan diskontinuitas yang jelas pada setiap lonjakan, perilaku yang tidak ada pada QCL DFB standar. Gambar 6 membandingkan laser DBR dengan laser Fabry-Perot (FP) 4 mm. FP mencapai 987 mW, sementara DBR mencapai 656 mW pada 20 °C dan 235 mW pada 70 °C, daya satu mode tertinggi yang dilaporkan untuk QCL infra merah panjang. Distribusi medan optik yang disimulasikan (Gambar 6b) mengungkapkan bahwa DBR mempertahankan intensitas tinggi di bagian gain sambil menurun dengan cepat di DBR, yang memungkinkan operasi gel panjang tanpa over-coupling—keuntungan dibandingkan laser DFB.

Kesimpulan

Kami telah menunjukkan QCL DBR daya tinggi dengan keluaran CW >0,6 W pada suhu ruang. Analisis detail lonjakan mode gel pendek anomali memberikan wawasan tentang dinamika seleksi mode perangkat DBR. Arsitektur DBR memungkinkan operasi satu mode gel panjang dengan ekstraksi daya yang unggul, memosisikannya sebagai platform yang promising untuk aplikasi laser infra merah tengah daya tinggi.

Ketersediaan Data dan Bahan

Semua data sepenuhnya tersedia tanpa keterbatasan.

Singkatan

CW

Gel berkelanjutan

DBR

Reflektor Bragg terdistribusi

DFB

Umpan balik terdistribusi

EC

Ruang eksternal

FP

Fabry-Perot

MBE

Epitaksi radiasi molekular

MOVPE

Epitaksi fase uap organometal

P-I-V

Daya-arus-tegangan

QCL

Laser kuantum kaskad

SMSR

Rasio penindasan mode samping