Transisi Mode Anomali dalam Laser Kaskade Kuantum Reflektor Bragg Terdistribusi Daya Tinggi
Abstrak
Dalam makalah ini, data spektral anomali dari laser kaskade kuantum reflektor Bragg (DBR) terdistribusi (QCL) yang memancarkan sekitar 7,6 μm disajikan. Laser DBR dua bagian, yang terdiri dari bagian penguatan dan reflektor Bragg yang tidak dipompa, menampilkan daya keluaran di atas 0,6 W dalam mode gelombang kontinu (CW) pada suhu kamar. Data spektral anomali didefinisikan sebagai mode longitudinal yang bergerak menuju panjang gelombang yang lebih pendek dengan meningkatnya suhu atau arus injeksi, yang tidak terduga. Meskipun mode panjang gelombang yang lebih panjang diharapkan untuk memulai penguat saat menaikkan suhu perangkat atau arus injeksi, mode sesekali melompat ke panjang gelombang yang lebih pendek terlihat. Transisi mode anomali ini dijelaskan melalui analisis modal. Perubahan indeks bias yang diinduksi termal yang tersirat oleh peningkatan suhu atau arus injeksi menghasilkan transisi yang hampir periodik antara mode rongga.
Pengantar
Quantum cascade lasers (QCLs) berbeda dari laser semikonduktor fundamental, adalah sejenis laser semikonduktor unipole, yaitu transisi elektronik hanya antara keadaan pita konduksi [1]. Ini telah menarik banyak perhatian karena fitur yang menonjol dari panjang gelombang besar yang mencakup rentang dari pertengahan/inframerah jauh ke wilayah gelombang terahertz sejak demonstrasi pertama dalam percobaan. Wilayah gelombang lebar tersebut dapat memenuhi tuntutan aplikasi yang meningkat dalam penginderaan gas, spektroskopi resolusi tinggi, dan pemantauan proses industri. Namun, lebar garis yang sempit dan daya keluaran yang tinggi diperlukan dalam beberapa aplikasi. Umpan balik terdistribusi (DFB) QCL dan QCL rongga eksternal (EC) adalah dua cara umum untuk mencapai emisi mode tunggal [2, 3]. Daya keluaran DFB QCLs berada di urutan 100 miliwatt dan rentang penyetelan kecil sekitar 5 cm
−1
, yang cocok untuk deteksi gas tunggal [4,5,6]. EC QCLs adalah kandidat yang lebih baik untuk mendeteksi beberapa spesies gas karena mereka memiliki rentang penyetelan yang jauh lebih luas [7]. Namun, dalam beberapa aplikasi, seperti deteksi stand-off atau penginderaan jauh, sumber cahaya mode tunggal berdaya tinggi diinginkan. Untuk aplikasi ini, sebuah reflektor Bragg (DBR) QCL terdistribusi mungkin menjadi kandidat yang lebih baik sebagai sumber laser yang ringkas dan berdaya tinggi. Laser DBR dipelajari cukup banyak pada daerah gelombang inframerah dekat [8,9,10], tetapi studinya pada QCL kurang, beberapa dilaporkan pada tahun 2011 untuk penyetelan lebar [11], pada tahun 2014 untuk daya tinggi [12]. Namun, sifat spektral tidak dipelajari secara rinci dalam laporan tersebut. Lebih lanjut, hop mode anomali serupa ini telah dianalisis dalam laser semikonduktor DBR dekat-inframerah [9, 10]. Namun, masih kurang pada perangkat QCL. Mempertimbangkan sifat spektral QCL mode tunggal yang signifikan untuk aplikasi praktis, setiap sifat anomali dan belum dijelajahi harus dipelajari dan diakumulasikan secara ekstensif. Di sini, kami mendemonstrasikan QCL DBR dan menyelidiki sifat spektralnya secara mendetail.
Metode
Kisi DBR ditentukan oleh proses interferometri holografik berkas ganda konvensional. Struktur perangkat yang dirancang ditunjukkan pada Gambar. 1. Bagian penguatan dan bagian DBR dipisahkan oleh alur isolasi arus dan hanya bagian penguatan yang memiliki injeksi arus. Struktur QCL ditumbuhkan pada substrat InP yang didoping-n oleh epitaksi berkas molekul sumber padat (MBE) dengan struktur wilayah aktif yang mirip dengan Ref. [13]. Struktur inti aktif yang disajikan dalam karya ini berisi 50 periode kompensasi regangan Dalam0,58 Ga0,42 Sebagai/Dalam0,47 Al0,53 Sebagai sumur kuantum. Urutan lapisan spesifik satu periode adalah sebagai berikut (ketebalan lapisan dalam nanometer):4 /1.7/0.9 /5.06/0.9 /4.7/1 /3.9/1.8 /3.2/1.7 /2.8/1.9 /2,7 /2.8 /2.6, di mana Dalam0,47 Al0,53 Karena lapisan penghalang dicetak tebal, In0,58 Ga0,42 Juga lapisan dalam roman, dan lapisan n-doped (1.4 × 10
17
cm
−3
) dicetak miring. Seluruh struktur wafer sebelum fabrikasi adalah 4,5 μm InP lapisan kelongsong bawah (Si, 3 × 10
16
cm
−3
), 50 tahap aktif/injektor, n-In setebal 0,3μm0,53 Ga0,47 Sebagai lapisan kurungan atas (Si, 4 × 10
16
cm
−3
). SiO setebal 100 nm2 lapisan diendapkan di lapisan kurungan InGaAs atas di seluruh wafer, kemudian SiO2 dari bagian DBR telah dihapus untuk fabrikasi kisi. Setelah itu dilakukan pendefinisian grating pada lapisan kurungan InGaAs atas menggunakan proses interferometri holografik double beam dengan periode grating 1,2 μm, kemudian dipindahkan dengan etsa kimia basah hingga kedalaman sekitar 130 nm, selanjutnya residu SiO2 telah dihapus. Kemudian, pandu gelombang atas yang terdiri dari lapisan kelongsong InP atas setebal 3 μm (Si, 2 × 10
16
cm
−3
), 0,15 μm lapisan InP yang diolah secara bertahap (Si, 1,5 × 10
17
cm
−3
) dan lapisan kontak InP atas yang sangat didoping setebal 0,85 μm (Si, 5 × 10
18
cm
−3
) ditumbuhkan kembali dengan epitaksi fase uap logam-organik (MOVPE).
Skema QCL DBR yang terdiri dari bagian penguatan LG , bagian DBR LDBR dan kesenjangan isolasi saat ini
Setelah implementasi pertumbuhan kembali, wafer diproses menjadi laser pandu gelombang ridge saluran ganda dengan lebar inti rata-rata 10 μm, di mana saluran diisi dengan InP:Fe semi-isolasi untuk keperluan disipasi termal dan isolasi listrik yang efektif. Selanjutnya, alur isolasi arus sepanjang 200 m antara bagian penguatan dan bagian DBR diukir melalui lapisan InP yang didoping tinggi dan didoping secara bertahap dengan kedalaman 1,1 m melalui etsa kering untuk memblokir injeksi arus ke bagian DBR. Kemudian lapisan insulasi SiO setebal 450 nm2 diendapkan, dan jendela injeksi saat ini dibuka tepat di atas bagian penguatan. Selanjutnya, kontak listrik disediakan oleh lapisan Ti/Au yang diendapkan oleh penguapan berkas elektron, dan lapisan emas setebal 5 m tambahan dilapisi untuk lebih meningkatkan pembuangan panas. Setelah ditipiskan menjadi sekitar 120 μm, lapisan kontak logam Ge/Au/Ni/Au diendapkan pada sisi substrat wafer. Akhirnya, wafer dibelah menjadi perangkat dengan panjang 6 mm yang terdiri dari daerah penguatan sepanjang 4,3 mm, daerah DBR sepanjang 1,5 mm dan alur isolasi arus sepanjang 0,2 mm, dan perangkat disolder dengan sisi epilayer ke bawah. heat sink berlian dengan solder indium, yang kemudian disolder pada heat sink tembaga.
Hasil dan Diskusi
Spektrum perangkat diuji dengan spektrometer inframerah transformasi Fourier dengan resolusi 0,125 cm
−1
. Karakteristik daya-arus-tegangan (P-I-V) dari perangkat diuji oleh detektor thermopile yang dikalibrasi. Laser 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 2a menunjukkan spektrum emisi gelombang kontinu (CW) laser DBR pada suhu heat sink yang berbeda dari 20 °C hingga 70 °C dengan langkah 2 °C dengan arus injeksi 1,005Ith . Gambar 2b menunjukkan kurva bilangan gelombang versus suhu laser, dan sisipan menunjukkan spektrum penguat 24 °C dengan koordinat logaritmik, di mana rasio penekanan mode samping (SMSR) sekitar 25 dB. Dalam QCL DFB mode tunggal konvensional, panjang gelombang bergeser ke arah panjang gelombang yang lebih panjang linier dengan peningkatan suhu atau arus [14, 15]. Namun, seperti yang terlihat pada Gambar 2, perilaku penyetelan anomali diamati, dengan mode melompat ke panjang gelombang yang lebih pendek saat suhu dinaikkan.
a Spektrum emisi laser berubah dengan suhu. b Kurva bilangan gelombang versus suhu laser. Sisipan menunjukkan spektrum penguat 24 °C dengan koordinat logaritmik
Untuk menjelaskan secara kualitatif terjadinya hop mode anomali, pertama, kita perlu menganalisis mekanisme mode tunggal pada perangkat DBR QCL, yang ditunjukkan dengan jelas pada Gambar 3. Gambar 3a menunjukkan kurva gain wafer yang diukur dan menghitung refleksi kurva kisi Bragg berdasarkan metode matriks transfer dengan MATLAB, dimana reflektifitas kisi DBR sepanjang 1,5 mm adalah sekitar 98%. Untuk memudahkan pemahaman, kami menampilkan diagram skema mekanisme pemilihan mode DBR QCL, di mana kurva gain, kurva refleksi kisi Bragg, mode longitudinal yang diizinkan yang memenuhi kondisi fase di rongga DBR QCL ditampilkan, dan memberikan pergeserannya karakteristik dengan peningkatan suhu pada Gambar. 3b lebih lanjut. Manakah mode longitudinal yang dapat menjadi mode penguat di antara mode longitudinal ini? Ini harus memenuhi dua kondisi, pertama harus berada di dalam puncak refleksi Bragg. Syarat lainnya adalah produk nilai gain dan reflektifitasnya harus maksimal [9]. Selanjutnya, kurva gain, kurva refleksi dan spektrum mode longitudinal semuanya bergerak ke panjang gelombang yang lebih panjang dengan kenaikan suhu. Kemudian kami mengukur dan memasang kurva gain peak dengan perubahan suhu untuk mencapai laju gerak 0.581 cm
−1
K
−1
. Puncak refleksi Bragg dengan kenaikan suhu sekitar 0.128 cm
−1
K
−1
menurut kelompok kami sebelumnya melaporkan hasil pada rentang gelombang yang sama [16]. Artinya, puncak refleksi Bragg selalu tetap pada sisi panjang gelombang yang lebih pendek dari puncak gain karena suhu meningkat. Pergerakan spektra mode longitudinal karena kenaikan suhu terutama dikaitkan dengan indeks bias modal yang tumbuh dengan peningkatan suhu, yang laju pergerakannya mirip dengan laju pergerakan puncak refleksi Bragg dengan peningkatan suhu yang lebih kecil daripada laju pergerakan gain. puncak. Namun, suhu wilayah gain sedikit lebih tinggi daripada wilayah DBR karena efek panas yang disebabkan oleh injeksi pembawa. Akibatnya, spektrum mode longitudinal dapat bergerak sedikit lebih cepat daripada puncak Bragg dengan peningkatan suhu. Kami memberi nomor tiga mode longitudinal sebagai a, b, dan c dalam puncak Bragg pada Gambar. 3b. Pada awalnya, mode a adalah mode penguat, dan mode a akan menyetel secara linier dan bergeser ke arah panjang gelombang yang lebih panjang dengan peningkatan suhu. Mode penguat akan digantikan oleh mode b ketika mode a bergeser dari pusat kurva Bragg dan produk nilai penguatan dan reflektifitasnya tidak lagi maksimal karena laju pergerakan spektrum mode longitudinal yang sedikit lebih cepat. Kemudian, mode b mengulangi proses mode a, dan seterusnya. Jadi fenomena hop mode anomali pada Gambar. 2 diamati. Untuk memverifikasi hop mode berada di antara mode longitudinal. Kemudian kami menghitung jarak mode longitudinal, yang relatif terhadap seluruh panjang rongga efektif perangkat. Seluruh panjang rongga efektif DBR QCL adalah jumlah dari panjang bagian DBR efektif, panjang bagian penguatan, dan panjang celah isolasi. Definisi panjang DBR efektif adalah bahwa fase bervariasi relatif linier di dekat refleksi maksimum. Pemantulan seperti itu dapat didekati dengan baik oleh pemantulan cermin diskrit yang sama dengan besarnya pemantulan kisi, tetapi ditempatkan pada jarak Leff jauh seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a. Artinya, fungsi seluruh kisi DBR digantikan oleh cermin refleksi, yang setara dengan pandu gelombang pasif. Panjang efektif DBR dari panjang kisi fisik DBR dapat dihitung berdasarkan persamaan berikut [17]:
di mana adalah koefisien kopling kisi dan LDBR adalah panjang kisi fisis, \( \Delta \overline{\mathrm{n}} \) adalah selisih indeks bias efektif kisi, \( \overline{\mathrm{n}} \) adalah indeks bias efektif rata-rata dari kisi, dan adalah periode kisi. Gambar 4b menunjukkan panjang efektif wilayah DBR versus panjang kisi DBR fisik, yang menunjukkan panjang DBR efektif hampir tidak lagi berubah ketika panjang kisi DRB fisik lebih besar dari 1,5 mm. Panjang DBR efektif dari panjang kisi DBR fisik 1,5 mm adalah sekitar 0,291 mm. Akibatnya, jarak mode longitudinal teoretis adalah sekitar 0,328 cm
−1
. Interval hop mode anomali eksperimental adalah sekitar 0,12 cm
−1
ditunjukkan pada Gambar. 2. Karakteristik penyetelan linier rata-rata dari mode penguat dengan suhu sekitar 0,103 cm
−1
K
−1
sebelum anomali setiap mode hop terjadi. Jadi jarak mode yang sesuai adalah 0,326 cm
−1
, yang hampir konsisten dengan hasil penghitungan 0,328 cm
−1
dengan kesalahan 0.002 cm
−1
.
a Kurva gain wafer diukur dan kurva refleksi kisi Bragg dihitung berdasarkan metode matriks transfer dengan MATLAB. b Diagram skema mekanisme pemilihan mode DBR QCL
a Diagram skematis definisi cermin efektif untuk kisi DBR. b Panjang DBR efektif versus panjang kisi fisik
Gambar 5a menunjukkan spektrum emisi yang berubah dengan arus injeksi, panel atas Gambar 5b menunjukkan bilangan gelombang versus kurva suhu perangkat, dan panel bawah Gambar 5b adalah kurva CW P–I laser. Fenomena serupa dari lompatan mode anomali juga diamati dengan peningkatan arus injeksi pada Gambar. 5, dan diskontinuitas yang jelas terlihat pada kurva P–I ketika lompatan mode terjadi, yang tidak dapat terjadi pada DFB QCL mode tunggal konvensional kecuali untuk sesekali mode hop antara dua mode sisi stop-band. Puncak gain akan selalu bergeser ke arah panjang gelombang yang lebih panjang dengan peningkatan arus injeksi karena efek panas. Kami telah mengukur kurva gain perubahan wafer dengan arus pada kondisi CW, dan kurva gain puncak yang dipasang dengan perubahan arus untuk mendapatkan laju gerak 0.021 cm
−1
mA
−1
. Karena jendela injeksi arus dibuka tepat di atas daerah penguatan dan adanya celah isolasi, pengaruh crosstalk panas yang disebabkan oleh injeksi arus pada bagian DBR menjadi lemah. Jadi kurva refleksi Bragg hampir tidak berubah dengan arus injeksi. Spektrum mode longitudinal juga bergerak sedikit ke panjang gelombang yang lebih panjang karena perubahan indeks bias efektif modal yang disebabkan oleh efek panas. Oleh karena itu, fenomena serupa dari lompatan mode anomali diamati ketika kenaikan arus injeksi. Interval lompatan mode anomali pertama adalah sekitar 0,904 cm
−1
ditunjukkan pada Gambar. 5, di mana mode hop menyeberang ke tiga mode longitudinal. Lompatan mode kedua adalah antara mode longitudinal tetangga dengan interval 0.301 cm
−1
. Karakteristik penyetelan linier rata-rata dari mode penguat dengan arus injeksi adalah sekitar 0,003 cm
−1
mA
−1
sebelum setiap lompatan mode anomali terjadi. Jadi jarak mode yang sesuai adalah sekitar 0,331 cm
−1
, yang juga hampir konsisten dengan hasil penghitungan 0,328 cm
−1
dengan kesalahan 0,003 cm
−1
.
a Spektrum emisi berubah dengan arus injeksi. b Panel atas menunjukkan kurva bilangan gelombang versus suhu, dan panel bawah adalah kurva arus daya CW (P–I) laser
Gambar 6a menunjukkan perbandingan daya antara laser DBR dan laser Fabry-Perot (FP) dengan panjang rongga 4 mm. Daya keluaran maksimum laser FP dan DBR masing-masing adalah 987 mW dan 656 mW pada 20 °C. Daya keluaran maksimum laser DBR masih 235 mW pada suhu pendingin 70 °C, yang mewakili tingkat daya tertinggi yang dilaporkan sejauh ini untuk QCL mode tunggal dalam rentang spektrum inframerah gelombang panjang. Untuk menghindari kerusakan, laser tidak diuji hingga arus kerja maksimumnya. Gambar 6b menampilkan distribusi medan optik dari laser DBR, FP, dan DFB dengan panjang rongga yang sama yaitu 6 mm berdasarkan metode matriks transfer oleh MATLAB. Distribusi medan optik laser DBR menunjukkan bahwa intensitas cahaya di perangkat hampir konstan di bagian penguatan yang mirip dengan laser FP sementara itu menurun tajam di bagian DBR, yang mendukung ekstraksi daya tidak seperti laser DFB , yang intensitas cahayanya memuncak di bagian tengah perangkat dan meluruh dengan cepat ke arah kedua sisi karena mekanisme over-coupled, akibatnya, sebagian besar intensitas cahaya terbatas di bagian tengah perangkat. Kekuatan gabungan laser DFB berbanding lurus dengan panjang rongga. Jadi laser DFB tidak cocok untuk dibelah menjadi perangkat panjang rongga panjang. Akibatnya, keunggulan menonjol lainnya dari laser DBR disajikan bahwa ia dapat dibuat dalam perangkat panjang rongga panjang untuk mendapatkan daya output yang tinggi. Jadi struktur DBR adalah semacam metode potensial untuk mencapai daya tinggi dan emisi mode tunggal.
a Kurva merah adalah kurva daya-arus-tegangan (P-I-V) CW dari laser DBR, kurva hitam adalah kurva daya-arus-tegangan (P-I-V) CW dari resonator Fabry-Perot (FP) rongga. b Distribusi medan optik simulasi laser DBR, FP, dan DFB dengan panjang rongga yang sama yaitu 6 mm
Kesimpulan
Singkatnya, kami telah mendemonstrasikan DBR QCL dengan daya keluaran tinggi. Karakteristik mode hop telah dianalisis secara rinci, dimana penelitian ini berguna untuk aplikasi praktis. Daya keluaran CW maksimum adalah 656 mW pada 20 °C untuk perangkat dengan wilayah penguatan sepanjang 4,3 mm. Dari perbandingan distribusi medan optik dan hasil analisis kami, kami menyimpulkan bahwa DBR adalah metode yang potensial dan efektif bagi QCL untuk mencapai daya keluaran tinggi dan emisi mode tunggal.
