빠른 스위프 파장, 낮은 임계값 전류, 연속파 외부 공동 양자 캐스케이드 레이저

초록

우리는 Littman-Metcalf 공동 기하학에서 주사 검류계를 사용하여 낮은 임계값 전류 및 빠른 파장 조정 외부 공동 양자 캐스케이드 레이저(EC-QCL)를 제시합니다. EC-QCL은 약 290nm(2105cm⁻¹ )의 전체 조정 범위에서 100Hz에서 반복적으로 스위프할 수 있습니다. ~ 2240cm⁻¹ ), 59.3μm s⁻¹ 의 스캔 속도 제공 . EC-QCL의 연속파(CW) 임계값 전류는 250mA로 낮았고 최대 출력 전력은 3mm 길이 QCL 이득 칩의 경우 400mA에서 20.8mW였습니다. 톱니파 변조로 <0.2cm⁻¹ 의 스캔 해상도 튜닝 범위 내에서 달성할 수 있습니다. 낮은 전력 소비와 빠른 스위프 파장 EC-QCL은 많은 애플리케이션에 유용할 것입니다.

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배경

전자기 스펙트럼의 중적외선(MIR) 영역은 대부분의 분자의 기본적인 ro-vibrational 전이 에너지가 이 스펙트럼 영역에 있기 때문에 분자 지문 영역입니다. MIR 영역의 레이저 흡수 분광법은 의료 호흡 분석, 대기 오염 물질 감지 및 산업 폐수 모니터링과 같은 다양한 응용 분야에서 중요합니다[1,2,3]. 특히, MIR 레이저의 빠른 발전으로 분광법에 기반한 광학기기의 성능이 크게 향상되어 빠르고 민감하며 정확한 측정이 가능합니다.

레이저 흡수 분광법의 경우, 선폭이 좁고 출력이 적당한 조정 가능한 단일 주파수 레이저가 필요합니다. 분산 피드백(DFB) 양자 캐스케이드 레이저(QCL)[1]는 매우 좁은 선폭[4], 높은 출력 전력 및 실온 연속파(CW) 작동으로 인해 이러한 응용 분야에 적합한 광원입니다. 그러나 단일 DFB 레이저는 몇 cm⁻¹ 의 매우 제한된 조정 범위를 갖습니다. (~ 10cm⁻¹ ) 느린 온도 조정을 통해 광대역 흡수 기능 및 다종 가스 감지에 대한 유용성을 제한합니다[5]. DFB 어레이는 220cm⁻¹ 에서 인상적인 조정 기능을 달성했습니다. . 그러나 DFB 어레이는 복잡하고 비용이 많이 드는 다양한 격자 주기를 제작하기 위해 전자빔 리소그래피가 필요합니다. 또한 DFB 어레이는 감지 애플리케이션을 위해 서로 다른 파장의 빔 결합이 필요합니다[6, 7].

외부 공동 양자 캐스케이드 레이저(EC-QCL)는 300cm⁻¹ 이상의 조정 범위를 제공할 수 있는 안정적이고 광범위하게 조정 가능한 광원으로 널리 사용됩니다. [8] 스테퍼 모터에 의한 느린 스캔. 기존 EC-QCL의 경우 Wysocki et al.에서 제안한 모드 추적 시스템을 통해 모드 홉 프리 튜닝을 수행할 수 있습니다. [9]. 레이저 전류와 EC 길이는 튜닝 과정에서 위상 일치 삼각 전압 램프로 변조됩니다. 그러나 이는 ~ 1 cm⁻¹ 의 모드 홉 없는 조정만 허용합니다. EC-QCL [10]의 전체 튜닝 범위 내의 모든 파장에서. 기상에서 화학 혼합물의 측정 시간을 줄이려면 높은 파장 튜닝 속도 EC-QCL이 필요합니다. 빠르게 스윕된 EC-QCL은> 100cm⁻¹ 스윕할 수 있는 캐비티 내 미세 전자 기계 시스템(MEMS) 또는 음향 광학 변조기로 설계되었습니다. 서브 ms 시간 척도에서 [11]. 불행하게도, 빠르게 스윕되는 이러한 EC-QCL 시스템은 약 ~ 1 cm⁻¹ 의 낮은 스펙트럼 분해능을 가지고 있습니다. , 좁은 흡수 기능에는 충분하지 않습니다.

최근 M.C.는 광범위한 흡수 특성을 측정하기 위한 스위프 파장 EC-QCL 소스를 개발했습니다. Phillips et al. [12, 13]. 스위프 파장 EC-QCL은 100cm 이상 조정할 수 있습니다.⁻¹ 50% 듀티 사이클에서 튜닝 곡선의 피크에서 11mW의 평균 출력 전력과 200Hz의 스위프 속도로 그러나 펄스 작동은 처프 전류로 인해 라인 확장이 발생합니다. 이 백서에서는 Littman-Metcalf 캐비티 형상의 스캐닝 검류계를 사용하여 135cm⁻¹ 조정 범위의 빠른 스위프 파장 EC-QCL을 구현합니다. 2105~2240cm⁻¹ (4.46–4.75μm). 임계값 전류는 실온에서 CW 작동에서 250mA만큼 낮습니다. 100Hz에서 반복적으로 스위프된 EC-QCL에 대해 단계 스캔 푸리에 변환 적외선(FTIR) 기술을 사용한 시간 분해 측정이 수행되었습니다. 레이저 스펙트럼 분석기를 사용하여 스펙트럼 분해능을 평가했습니다. 톱니파 변조로 <0.2cm⁻¹ 의 스펙트럼 분해능 조정 범위 내에서 달성할 수 있습니다.

방법

EC 시스템은 Littman-Metcalf 구성을 기반으로 하며 이득 요소, 우리의 경우 시준 렌즈, 회절 격자 및 주사 검류계가 있는 Fabry-Perot(FP) QCL 칩의 세 가지 주요 요소로 구성됩니다. 그림 1에 나와 있습니다. 변형 보상 QCL 활성 코어는 In_0.67의 30주기로 구성됩니다. Ga_0.33 As/In_0.36 알_0.64 양자 우물과 장벽으로 각각 [14]에 설명된 것과 유사합니다. 소자는 Fe 도핑된 InP의 선택적 재성장을 위해 금속-유기 화학 기상 증착(MOCVD)을 사용하여 매립된 이종 구조 구성으로 처리되었습니다. 12μm의 융기부 너비와 3mm 길이의 FP–QCL 이득 칩을 사용하여 EC-QCL을 구성했습니다. Al₂로 구성된 고반사율(HR) 코팅 O₃ /Ti/Au/Ti/Al₂ O₃ (200/10/100/10/120 nm) 및 Al₂의 반사 방지(AR) 코팅 O₃ /Ge(448/35nm)는 이득 칩의 후면과 전면에서 각각 증발되었습니다. FP-QCL 칩은 인듐 땜납으로 SiC 방열판에 에피층 측면이 아래로 향하게 실장되고 와이어 본딩된 다음 방열판 온도를 모니터링하고 조정하기 위해 열전 냉각기(TEC)와 결합된 서미스터가 포함된 홀더에 실장되었습니다.

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Littman-Metcalf 외부 공동 구성의 개략도

우리가 사용한 Littman 구성은 초점 거리가 6mm인 시준 렌즈, 210그루/mm의 회절 격자, 주사 검류계(Thorlabs, GVS111)로 구성됩니다. 그림 1과 같은 Littman 구성에서 1차 광은 주사 검류계로 회절된 다음 회절 격자에 의해 FP-QCL 칩으로 다시 반사되고 방출된 단일 모드 레이저 광은 0차 반사를 통해 추출됩니다. 회절 격자.

EC-QCL에서 방출된 광출력과 스펙트럼은 보정된 열전퇴 감지기와 FTIR 분광기로 각각 측정되었습니다. 모든 측정은 FP–QCL 칩을 cw 작동 상태에서 25°C로 유지한 상태에서 이루어졌습니다.

결과 및 토론

그림 2a는 주입 전류가 330mA인 다양한 주사 검류계 각도에서 측정된 cw 스펙트럼을 보여줍니다. 방출 피크는 2105에서 2240cm로 이동합니다.⁻¹ 검류계를 0.1°씩 회전시켜 그림 2b는 그림 2a와 동일한 다른 주사 검류계 각도에서 측정된 출력 전력과 측면 모드 억제 비율(SMSR)을 보여줍니다. 거의 전체 튜닝 범위에서 25dB 이상의 SMSR이 실현되었습니다. 평균 출력 전력은 약 8mW였으며 출력 전력 프로필은 전계발광 스펙트럼과 일치했습니다. 그림 3은 2180cm⁻¹ 에서 중앙 영역의 EC-QCL에 대해 측정된 전력-전류-전압(P-I-V) 곡선을 보여줍니다. . EC-QCL의 임계값 전류는 임계값 전류 밀도(J _번째 ) 0.833kA/cm² . 20.8mW의 최대 cw 출력 전력은 400mA에서 획득되었습니다.

<그림>

아 330mA의 전류로 cw 작동으로 25°C에서 측정된 EC-QCL의 정규화된 방출 스펙트럼입니다. 인접한 스펙트럼은 0.1°의 검류계 회전 단계로 측정되었습니다. ㄴ 다양한 스캐닝 검류계 각도에서 측정된 출력 전력(빨간색 곡선) 및 EC-QCL의 SMSR(검은색 점)

<그림>

2180cm⁻¹ 에서 중앙 영역의 EC-QCL의 P-I-V 특성

EC-QCL 스캔 특성화

신호 발생기를 활용하여 100Hz 정현파를 생성했습니다. 스캐닝 검류계에 사인파를 구현하면 EC-QCL 파장이 330mA의 전류로 cw 모드에서 반복적으로 스위프될 수 있습니다. 정현파 진폭은 3V로 총 튜닝 각도 3°에 해당합니다. EC-QCL 스캔 특성화의 데모를 위해 단계 스캔 FTIR 기술을 사용하는 시간 분해 측정을 적용할 수 있습니다. 이 기법은 반복적으로 발생하는 프로세스를 연구하는 데 자주 사용되었습니다[15]. 생성된 신호를 FTIR과 동기화하고 0.2cm의 스펙트럼 분해능으로 측정을 수행했습니다.⁻¹ 20ns 시간 분해능. 시간 분해 방출 피크는 그림 4에 표시되어 있습니다. EC-QCL은 2180cm⁻¹ 에서 시작했습니다. 그런 다음 더 낮은 파수로 튜닝합니다. 1/4 주기 후에 방출 피크는 최소 파수에 도달했습니다. 2105에서 2240cm로 조정된 파수⁻¹ 다음 절반 기간에. Littman 구성의 경우:

$$ \uplambda =d/{m}^{\ast}\left(\mathit{\sin}\upalpha +\mathit{\sin}\upbeta \right) $$ (1) <그림><소스 유형="image/webp" srcset="//media.springerature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs11671-018-2765-1/MediaObjects/11671_2018_2765_Fig4_HTML.png?as=/출처>

330mA의 cw 모드 및 100Hz의 주사 검류계 변조에서 작동하는 EC-QCL의 시간 분해 방출 피크

여기서 λ는 EC-QCL 파장, d 격자 기간, m 는 회절 차수이고 α와 β는 그림 1에 표시된 각도입니다. 1차 빛은 주사 검류계로 반사된 다음 FP-QCL 칩으로 다시 반사됩니다. 스캐닝 검류계가 θ의 각도로 회전할 때 위의 공식은 다음과 같이 바뀝니다.

$$ \frac{\mathrm{d}\uplambda}{\mathrm{d}\mathrm{t}}={\mathrm{d}}^{\ast}\cos \left(\upbeta +\uptheta \right )\ast \frac{\mathrm{d}\uptheta}{\mathrm{d}\mathrm{t}} $$ (2)

우리 구성에서 m =1, β =7.7°, d =4.76μm이고 EC-QCL은 100Hz에서 12.6rad/s의 속도로 스위프된 스캐닝 검류계를 사용하여 59.3μm s⁻¹ 의 파장 조정 속도를 제공하는 고속 스캔 모드에서 작동할 수 있습니다. 저녁> .

스펙트럼 분해능을 평가하기 위해 레이저 스펙트럼 분석기(Bristol Model 771)를 사용했습니다. 레이저 스펙트럼 분석기의 최소 응답 시간이 약 0.5초이므로 전체 파장 튜닝 주기를 기록할 수 있는 검류계 주파수를 0.02Hz로 줄였습니다. 그림 5a와 같이 검류계 각도를 변경하면 파장이 불연속적으로 변화하고 모드 홉이 약 0.5cm^-1 됩니다. 명확하게 식별할 수 있었습니다. 모드 홉은 AR 코팅의 비이상적인 반사 방지 효과 때문에 주로 QCL 칩의 FP 모드와 연관됩니다. 모드 홉 간격을 줄이기 위해 고정 각도에서 검류계가 있는 QCL 칩의 DC 구동 전류에 톱니파 변조(0.02Hz, 40mA)를 추가합니다. 톱니파 변조를 통한 파장 튜닝은 그림 5b에 나와 있습니다. 한 주기에서 파장은 0.5cm⁻¹ 를 보상할 수 있는 더 낮은 파수로 부드럽게 조정됩니다. 모드 홉. 그러나 파장 튜닝이 한 주기에 선형적이지 않다는 점에 유의하십시오. 이는 QCL 방열판의 온도 변동에 기인합니다. 검류계 튜닝과 톱니파 변조를 모두 사용하여 측정된 EC-QCL 파장이 그림 5c에 나와 있습니다. 그림 5a와 비교하여 모드 홉 간격이 0.2cm⁻¹ 미만으로 감소했습니다. .

<그림>

아 검류계 전압이 20mV이고 튜닝 주파수가 0.02Hz인 측정된 EC-QCL 파장입니다. 모드 홉은 약 0.5cm⁻¹ 입니다. . ㄴ 0.5cm⁻¹ 를 보상할 수 있는 톱니파 변조(0.02Hz, 40mA)로 측정된 EC-QCL 파장 튜닝 모드 홉. ㄷ 검류계 튜닝 및 톱니파 변조를 모두 사용하여 측정된 EC-QCL 파장

결론

요약하면, 우리는 빠른 스위프 파장 EC-QCL을 설계하고 단일 모드 선택, 튜닝 범위 및 출력 전력을 포함한 성능을 조사했습니다. 시간 분해 단계 스캔 FTIR 기술과 레이저 스펙트럼 분석기를 적용하여 튜닝 범위와 스펙트럼 분해능을 측정했습니다. EC-QCL은 135cm⁻¹ 의 전체 조정 범위에서 100Hz에서 반복적으로 스위프할 수 있습니다. (약 290nm) 스캔 해상도 <0.2cm⁻¹ , 톱니파 변조로 달성할 수 있습니다. EC-QCL의 CW 임계값은 250mA로 낮았고 최대 전력은 20.8mW였습니다. 장치의 낮은 전력 소비와 빠른 스위프 파장 특성으로 인해 미량 가스 감지 응용 분야에 유망한 광원이 될 수 있습니다.

약어

AR:: 반사 방지
CW:: 연속파
DFB:: 분산된 피드백
EC-QCL:: 외부 공동 양자 캐스케이드 레이저
FTIR:: 푸리에 변환 적외선 분광기
인사:: 높은 반사율
MEMS:: 미세 전자 기계 시스템
MIR:: 중적외선
MOCVD:: 금속-유기 화학 기상 증착
P-I-V:: 전력-전류-전압
QCL:: 양자 캐스케이드 레이저
SMSSR:: 측면 모드 억제 비율
기술:: 열전 냉각기

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