Конические квантово-каскадные лазерные массивы, интегрированные с полостями Талбота

Фон

Квантовый каскадный лазер (ККЛ), изобретенный в 1994 году, был одним из наиболее важных источников света в средней и дальней инфракрасной области благодаря своей гибкости и мобильности по длине волны [1,2,3]. Популярные применения QCL охватывают многие области, такие как оптическая связь в свободном пространстве и направленное инфракрасное противодействие (DRICM), химическое обнаружение следов взрывчатых веществ, токсинов, загрязнителей и медицинские испытания [4,5,6,7]. Некоторые приложения всегда требуют высокой выходной мощности света для лучшего эффекта глушения и точности обнаружения. ККЛ высокой мощности можно получить, увеличивая ширину области активной области. Однако простое расширение гребня без инженерного проектирования волновода или внешней оптики ухудшит качество луча ККЛ с излучением многолепестковой диаграммы направленности в дальней зоне [8]. Однолучевое излучение получалось в прошлом с помощью таких методов, как ККЛ с распределенной обратной связью (PCDFB) на фотонном кристалле, ККЛ с угловым резонатором, ККЛ с задающим генератором и усилителем мощности и ККЛ с широкой площадью через механизмы внешней обратной связи [9,10,11 , 12]. В последнее время популярны решетки с фазовой синхронизацией, позволяющие поддерживать излучение ККЛ с широким гребнем с помощью когерентных узких диаграмм направленности.

Решетки с фазовой синхронизацией умело применяются в полупроводниковых лазерах с широким гребнем и малой расходимостью с 1980-х годов [13]. В предыдущих работах решетки ККЛ с фазовой синхронизацией изучались в решетках Y-переходов, решетках с резонансными вытекающими волнами и решетках с затухающими волнами, как это делал в прошлом лазер ближнего инфракрасного диапазона [14,15,16 , 17,18]. Эти структуры либо вызывают большие потери в волноводе [15], либо приводят к накоплению тепла из-за небольшого соседнего расстояния для получения связи [16,17,18]. Недавно появились сообщения о решетках ККЛ с дифракционной связью, которые интегрировали боковой резонатор на основе дифракционно-связанных эффектов Тальбота [19]. В структуре с дифракционной связью связь происходит в полости Тальбота за счет дифракции на конце гребня и отражения грани полости. Элементы матрицы ККЛ с дифракционной связью и фазовой синхронизацией можно размещать на большом пространстве, что уменьшит накопление тепла.

Эффект Тальбота - это хорошо известное оптическое явление, когда периодическая структура может создавать собственные изображения на определенных регулярных расстояниях [20]. Этот эффект был использован в лазерах с фазовой синхронизацией в ближней инфракрасной области, что называется схемой дифракционной связи с фазовой синхронизацией [21,22,23]. В этом методе плоское зеркало должно быть помещено перед гранью резонатора лазерной решетки для обеспечения оптической обратной связи. Расстояние между зеркалом и гранью массива - это так называемое расстояние Талбота, которое определяется как

где n - показатель преломления материала, d - межцентровое расстояние массива, а λ - длина волны в свободном пространстве. Супермоды, которые отражаются в каналы решетки, получат самовоспроизводящиеся колебания. На рисунке 1 показано распределение основной супермоды и супермоды высокого порядка на дробном расстоянии Тальбота. Как только супермоды в Z _т Положение / 4 отражается в каналах массива, будут извлечены фундаментальные суперпозиция супермод и операция.

Фундаментальное распределение супермод высокого порядка на дробных плоскостях Тальбота. Синие овалы соответствуют фундаментальным супермодам, а коричневые овалы соответствуют супермодам высокого порядка

Выходная мощность решеток ККЛ с фазовой синхронизацией резонатора Талбота ограничена из-за низкой эффективности связи между резонатором Талбота и каналами решетки. Для дальнейшего увеличения выходной мощности решеток ККЛ резонаторов Талбота необходимо увеличить коэффициент заполнения (отношение ширины гребня к периоду). Тогда как при увеличении ширины канала возникнет излучение мод высокого порядка элементов решетки. Уменьшение межцентрового расстояния увеличит аккумулирование тепла. Коническая конструкция - один из лучших способов увеличения коэффициента заполнения при одновременном обеспечении основного режима работы самого одиночного гребня. В этом письме используются конические конструкции, а полости Тальбота интегрированы с одной стороны конических структур соответственно. Устройства с прямым концом, подключенным к резонатору Тальбота, демонстрируют фундаментальную работу в супермоде с расходимостью в дальней зоне, ограниченной дифракцией (D.L.), равной 2,7 °. Напротив, устройства с коническим концом, соединенным с полостью Тальбота, демонстрируют работу в супермоде высокого порядка независимо от длины полости Тальбота. Максимальная пиковая мощность 1,3 Вт достигается для устройств с прямым концом, подключенным к резонатору Тальбота, с пороговой плотностью тока 3,7 кА / см ² и дифференциальная эффективность 0,6 Вт / А при 298 К.

Методы

Пластина ККЛ была выращена на n-легированном (Si, 2 × 10 ¹⁷ см ⁻³ ) Подложка подложки InP методом молекулярно-лучевой эпитаксии с твердым источником (MBE). Структура активной области (АР) состоит из 35 периодов In _0,67 с компенсацией деформации. Ga _0,33 Как / В _0,37 Al _0,63 Как квантовые ямы и барьеры. Вся структура пластины до изготовления была на 4 мкм ниже плакирующего слоя InP (Si, 3 × 10 ¹⁶ см ⁻³ ), N-In _0,53 толщиной 0,3 мкм Ga _0,47 Как слой (Si, 4 × 10 ¹⁶ см ⁻³ ), 35 активных / инжекторных каскадов, n-In _0,53 толщиной 0,3 мкм Ga _0,47 Как слой (Si, 4 × 10 ¹⁶ см ⁻³ ), Верхний плакирующий слой InP толщиной 2,6 мкм (Si, 3 × 10 ¹⁶ см ⁻³ ), Постепенно легированный слой InP толщиной 0,15 мкм (изменяется от 1 × 10 ¹⁷ до 3 × 10 ¹⁷ см ⁻³ ) и покрывающий слой из высоколегированного InP толщиной 0,4 мкм (Si, 5 × 10 ¹⁸ см ⁻³ ).

После эпитаксии в МЛЭ устройства были протравлены методом влажного химического травления, а затем нанесен SiO ₂ 450 нм. с плазменным химическим осаждением из паровой фазы (PECVD). После открытия окна электрического впрыска образовался верхний металлический контакт. Две секции полости Тальбота и конической решетки электрически соединены через верхний контакт из золота. Затем пластинчатая подложка утончалась и нижние контактные металлические контакты выпаривались. Пластину разрезали на кусочки длиной около 2 мм с помощью пилы для резки кубиками, чтобы точно контролировать длину полости Тальбота. Наконец, устройства припаивались эпитаксиальной стороной вниз к медному радиатору индиевым припоем. Поскольку в секцию полости Тальбота вводится электрический ток, тепло будет накапливаться по всей ее ширине, чего следует избегать, используя электрическую изоляцию в будущих работах. Секцию резонатора Талбота, вероятно, можно заменить другим материалом волновода, используя сложную конструкцию, такую ​​как соединение и выравнивание пластин, и при этом все еще может быть достигнута операция фазовой синхронизации. Согласно распределению сверхмод полости Талбота на рис. 1, длина нашей полости Талбота была определена как Z _т / 8 аналогично исх. [19], что в этом письме составляет около 104 мкм. На рис. 2 показаны эскиз и фотографии устройства с микроскопа. Матрицы содержат пять конических элементов и полость Тальбота. Конический элемент состоит из конического конца длиной 1 мм и прямолинейного конца длиной ~ 0,9 мм с шириной от 10 до 16 мкм. Расстояние между центрами между соседними элементами в массиве составляет 25 мкм, а длина каждого лазерного устройства составляет около 2 мм. Длина полости Талбота в этой статье составляет около 104 мкм.

а Эскиз конусного элемента в массивах; 3D-схема массивов с b прямой конец соединен с полостью Талбота и c конический конец соединен с полостью Тальбота, что соответствует изображениям переднего фасеточного микроскопа d и е

Результаты и обсуждение

Согласно теории связанных мод, количество супермод в решетке с синхронизацией по фазе такое же, как и количество элементов [24]. Например, массив с фазовой синхронизацией из пяти элементов будет иметь пять супермод. Предполагая только соседнее соединение между элементами матрицы в резонаторе Тальбота, картина распределения ближнего поля супермоды другого порядка может быть получена с помощью связанной матрицы [24]. Изменение напряженности ближнего поля в зависимости от поперечного размера решетки можно продемонстрировать как [25]:

где j порядок супермод, M - количество элементов массива, ω - перетяжка гауссова луча в каждом элементе, а x _м центральное расположение каждого элемента. Результаты моделирования супермод разного порядка показаны на рис. 3а. Соответствующие диаграммы дальнего поля могут быть выведены с помощью преобразования Фурье из распределения ближнего поля, как показано на рис. 3b.

а Расчетные диаграммы направленности ближнего поля N =Супермоды 1, 3, 5 порядка в пятиэлементной решетке с дифракционной связью. Фундаментальная супермода ( N =1) рассчитывается на основе прямого конца, подключенного к резонатору Тальбота, и супермод высокого порядка ( N =3, 5) основаны на конусе, соединенном с полостью Тальбота. б Смоделированные диаграммы направленности в дальней зоне согласно a . c Измеренное распределение в дальней зоне решетки ККЛ с прямым концом, подключенным к резонатору Тальбота. г Измеренное распределение в дальней зоне решетки QCL с коническим концом, подключенным к резонатору Тальбота

Диаграммы дальнего поля решеток с фазовой синхронизацией резонатора Тальбота были измерены от фасетки решетчатого волновода с использованием метода синхронизации с детектором на основе теллурида ртути и кадмия (MCT) при комнатной температуре. Массив ККЛ, установленный на вращающемся столике, располагался на расстоянии ~ 25 см от детектора КРТ и управлялся самодельным программным обеспечением для сбора данных. Измеренные диаграммы направленности решетки резонаторов Талбота в дальней зоне показаны на рис. 3c, d, что соответствует прямому концу, подключенному к устройству резонатора Талбота, и коническому концу, подключенному к устройству резонатора Талбота. Распределение дальнего поля на рис. 3c показывает сильные центральные лепестки при 0 °, что указывает на существование фундаментальной работы супермод в соответствии с теорией парных мод. Полная ширина полувысоты (FWHM) составляет около 2,7 °, что показывает ограниченный дифракцией (D.L.) угол расходимости в соответствии с D.L. формула:sin θ =1,22 λ / d , где θ это D.L. угол, λ - длина волны, а d - ширина светового выхода массива. Для сужающегося одиночного излучателя с шириной светового выхода 16 мкм метод D.L. Расхождение на полувысоте составляет около 21 °. Боковые лепестки появляются около ~ 12 °, что очень близко к положению на полувысоте огибающей дальнего поля одиночного излучателя. Интенсивности центрального лепестка и боковых лепестков соответствуют распределению диаграммы направленности одиночного излучателя в дальней зоне. Таким образом, боковые лепестки имеют половину интенсивности центрального лепестка. Кроме того, однолучевая решетка профиля в дальней зоне может быть получена путем увеличения ширины гребня для уменьшения расходимости элементов решетки. Увеличить ширину гребня можно за счет расширения конуса. Диаграммы дальнего поля на рис. 3d не имеют лепестка в центре положения 0 °, но в основном двухлепестковые, показывая работу супермод более высокого порядка, которые соответствуют супермоде трех порядков на рис. 3b. Чтобы получить основную работу в супермоде, мы изготовили устройства с различной длиной резонатора Тальбота от 90 до 110 мкм с шагом 1 мкм. К сожалению, основная работа в сверхмодовом режиме в устройстве с коническим концом, соединенным с полостью Тальбота, не может быть реализована при любой длине полости Тальбота.

Результаты для двух типов решеток в дальней зоне могут быть объяснены с помощью теоретической модели, приведенной в работе. [19, 21]. Резонатор Тальбота можно аппроксимировать как отражающее зеркало с разной эквивалентной отражательной способностью для разных супермод; высокая эквивалентная отражательная способность означает высокий коэффициент усиления и низкий пороговый коэффициент усиления. Расчет и моделирование эквивалентной отражательной способности аналогичны исх. [19]. На рис. 4 показаны результаты моделирования эквивалентной отражательной способности для супермод разного порядка, изменяющейся в зависимости от длины резонатора Тальбота. Поскольку N =2, 4 порядка супермод в решетках с фазовой синхронизацией всегда имеют большие потери в волноводе, чем N =Супермоды 1, 3, 5 порядка, здесь они не учитываются. Для прямого конца, подключенного к решеткам резонаторов Талбота, основная супермода имеет самый высокий эквивалентный коэффициент отражения и большую дискриминацию по сравнению с супермодами высокого порядка около Z _т / 8. Для конического конца, соединенного с резонатором Тальбота, различие между основной супермодой и супермодой высокого порядка относительно невелико. В этом случае лазер имеет тенденцию работать с супермодами трех порядков из-за слабой дискриминации мод на коническом конце, подключенном к устройству резонатора Тальбота.

Теоретическая эквивалентная интенсивность отражательной способности полости Талбота изменяется в зависимости от длины полости Талбота для N =Супермоды 1, 3, 5 порядка пятиэлементной матрицы QCL резонатора Талбота, верхняя часть показывает прямой конец, соединенный с полостью Талбота, а нижний показывает конический конец, соединенный с полостью Талбота

Излучаемая оптическая мощность измерялась калиброванным детектором на термобатареях, установленным непосредственно перед гранью лазерного волновода. Спектральные измерения были выполнены с использованием инфракрасного спектрометра с преобразованием Фурье (FTIR) с 0,25 см ^-1 разрешение в режиме быстрого сканирования. На рисунке 5a показана характеристика мощности-тока (P-I) в импульсном режиме с драйвером тока, поддерживаемым на частоте 2 кГц с рабочим кругом 0,2%. Для устройства с прямым концом, подключенного к массиву QCL резонатора Тальбота, общая пиковая мощность 1,3 Вт достигается при 298 К с пороговой плотностью тока 3,7 кА / см ² и дифференциальная эффективность 0,6 Вт / А, что соответствует выходной мощности 1,6 Вт при пороговой плотности тока 3,4 кА / см ² и коэффициент наклона 0,65 Вт / А для матрицы с коническим концом, как показано синей линией и фиолетовой линией. В отличие от этого, одиночное лазерное устройство с гребнем длиной 2 мм и шириной 10 мкм показывает максимальную пиковую мощность 0,41 Вт, пороговую плотность тока 3 кА / см ² , а дифференциальная эффективность - 1 Вт / А. Выходная мощность массивов с основным режимом работы в три раза превышает мощность одиночного эмиттера. Чтобы более кратко представить результаты испытаний, выходные характеристики трех устройств сведены в Таблицу 1. Средняя выходная мощность каждого элемента составляет около 63% от одиночного эмиттера, что выше, чем в справочнике. [19]. Ref. В [26] сообщается о решетке ККЛ с фазовой синхронизацией и внутрирезонаторным фильтром Тальбота со средней мощностью отдельного элемента матрицы, равной 43% от одиночного эмиттера. Эффективность ниже, чем у устройств с одним переходом между резонатором Тальбота и элементами матрицы из-за дополнительных оптических потерь в двух круговых переходах, вызванных методом влажного травления. Ref. [27] сообщает о шестиэлементном устройстве, интегрированном с резонатором Тальбота, с выходной мощностью в пять раз по сравнению с одиночным эмиттером с эффективностью связи около 83%. Более низкая эффективность в наших устройствах, скорее всего, связана с более высокими дифракционными потерями на краю полости Тальбота и изготовлением методом мокрого травления. В следующей работе следует принять метод сухого травления и увеличить длину конусной зоны, чтобы получить дальнейшее масштабирование мощности. На вставке к рис. 4а показан спектр генерации решеток с фазовой синхронизацией при комнатной температуре и 1,3 I _th . Центральная длина волны была измерена и составила 4,8 мкм с многомодовым характером, возникающим из-за отсутствия механизма выбора продольных мод. Одномодовый спектр может быть получен путем введения решетки с распределенной обратной связью (DFB) на верхнем слое оболочки. Тепловые характеристики широких ККЛ и массивов ККЛ моделируются с помощью программного обеспечения конечных элементов COMSOL. Фиксированная ширина гребня установлена ​​равной 10 мкм, а расстояние между элементами матрицы изменяется от 0 до 20 мкм с шагом 5 мкм. На рис. 5б показано изменение температуры АО в зависимости от промежутка между элементами. Температура AR в устройстве с широким гребнем примерно на 20 K выше, чем в устройстве с резонатором Talbot.

а Общее изменение пиковой мощности в зависимости от тока инжекции при 298 K для прямого (синяя линия) / конического (фиолетовая линия) конца, подключенного к массиву QCL резонатора Тальбота и 2 мм длиной × 10 мкм шириной одиночный лазер (зеленая линия). У всех устройств нет покрытия с обеих сторон полости. Драйвер тока поддерживается на частоте 2 кГц с рабочим кругом 0,2%. На вставке показан спектр генерации линейных решеток при 1,3-кратном пороговом токе, достигающем пика около 4,8 мкм. б Температура активной области массива QCL изменяется в зависимости от расстояния между элементами массива. Ширина гребня элементов массива фиксирована и составляет 10 мкм, а расстояние между ними изменяется от 0 до 20 мкм с шагом 5 мкм

Заключение

В заключение мы продемонстрировали конические решетки QCL, интегрированные с полостями Тальбота на прямом и коническом концах соответственно. Устройства с резонатором Тальбота, интегрированным на прямом конце, демонстрируют диаграммы дальнего поля основной моды с помощью D.L. расходимость 2,7 ° на длине волны излучения 4,8 мкм. Выходная мощность 1,3 Вт получается для массива с прямым концом с дифференциальной эффективностью 0,6 Вт / А. Поскольку матрица с фазовой синхронизацией резонатора Талбота не требует очень близкого расстояния связи, аккумуляция тепла ниже, чем у нераспространяющихся решеток с волновой связью. Такие устройства обладают потенциалом для создания массивов QCL высокой яркости с высоким рабочим циклом работы с D.L. расхождение. Дальнейшая работа должна быть сосредоточена на выборе подходящей ширины гребня элемента решетки и промежутках между ними, использовании заглубленных гребневых волноводов и регулировании температуры с помощью охладителей с микроударом [28]. Кроме того, уменьшенное число каскадов AR внесет большой вклад в работу с высоким рабочим циклом QCL высокой яркости [29].

Сокращения

AR:

Активный регион

CW:

Непрерывная волна

Д.Л .:

Ограниченная дифракцией

DFB:

Распределенная обратная связь

FWHM:

Полная ширина на половину максимальной

I _th :

Пороговый ток

MBE:

Молекулярно-лучевая эпитаксия

MCT:

Ртуть-кадмий-теллурид

MOVPE:

Эпитаксия из паровой фазы металлоорганических соединений

PECVD:

Химическое осаждение из паровой фазы с применением плазмы

P-I:

Мощность-ток

QCL:

Квантово-каскадный лазер

WPE:

Эффективность розетки