매립 샘플링 격자를 사용한 양자 캐스케이드 레이저의 고출력 및 안정적인 단일 모드 시연

방법

균일 격자 DFB QCL의 다이어그램이 그림 1a에 나와 있습니다. I, II, III 및 IV의 표시는 가능한 4가지 종류의 절단된 끝면 위치를 나타냅니다. 우리 모두 알다시피, 나노 규모의 균일한 격자에 대한 쪼개진 면 위치를 정확하게 제어하는 ​​것은 어렵습니다. 결과적으로, 쪼개진 면 위치가 무작위에 대한 방출 모드가 장치마다 다릅니다. 여기서 우리는 MATLAB의 전달 행렬 방법을 기반으로 I, II, III 및 IV의 쪼개진 끝면 위치의 가능한 4가지 종류의 모드 손실 스펙트럼과 두 측면 모드의 손실 차이를 시뮬레이션하고 계산합니다. I, II, III 및 IV의 4가지 절단된 끝면 위치의 두 측면 모드의 손실 차이의 절대값은 그림 1b에 나와 있습니다. 가로 좌표는 I, II, III 및 IV의 상대적 위치로 표시됩니다(다른 패싯이 격자 피크로 시작하고 0의 위상에 해당한다고 가정하면 I, II, III 및 IV의 해당 위상 0, π/2, π, 3π/2). 그림 1c, d, e 및 f는 4가지 종류의 절단된 끝면 위치의 모드 손실 스펙트럼을 자세히 보여줍니다. 이미 보았듯이 레이징 모드와 손실 차이는 패싯 랜덤 위상의 영향을 받는 장치마다 다릅니다. 그림 2a는 동일한 전송 매트릭스 방법으로 시뮬레이션된 I, II, III 및 IV의 가능한 4가지 종류의 절단된 끝면 위치의 해당 정규화된 광학 필드 분포를 보여줍니다. 그림 2b와 c는 두 끝면 근처의 광학 필드 분포의 증폭입니다. 우리가 보았듯이 양쪽 끝 면의 강도는 완전히 대칭이 아니며 이는 양쪽 끝 면의 비대칭 위치로 인해 발생합니다. 여기서 우리는 결합 강도 κ가 있는 상황을 보여줍니다. × 엘 =17, 과결합됨. 장치 중앙의 피크 광도는 양 끝으로 갈수록 급격히 감소하여 심각한 공간 구멍 연소로 이어질 수 있으며, 결과적으로 안정적인 단일 모드 작동을 유지하는 것이 어려워질 수 있습니다[15].

아 균일 격자 구조의 다이어그램; I, II, III 및 IV의 표시는 가능한 4가지 종류의 절단된 끝면 위치를 나타냅니다. ㄴ I, II, III 및 IV의 서로 다른 절단된 끝면 위치에 대한 모드 손실 차이의 절대값과 가로축은 I, II, III 및 IV의 절단된면 위치의 해당 위상으로 표시됩니다. ㄷ –f I, II, III 및 IV 각각의 쪼개진 끝면 위치의 가능한 네 가지 유형의 모드 손실 스펙트럼

아 I, II, III 및 IV의 4가지 절단된 끝면 위치에 대한 균일한 격자 구조의 해당 광학 필드 분포. ㄴ , ㄷ 두 끝면 근처의 광학 필드 분포 증폭

여기에서 P의 샘플링 주기를 기반으로 광 강도 분포를 개선하기 위해 샘플링 격자 구조를 측정합니다. =15 μm 및 블록 길이 u =σ의 샘플링 듀티 사이클에 해당하는 5 μm =유 /피 =1/3, 이는 그림 3a에 나와 있습니다. 도 3a의 수직 점선은 절단된 패싯 위치를 나타내며, 이는 말단 패싯 랜덤 위상의 도입을 피하기 위해 블록 영역에서 벗어납니다. 해당 유효 결합 계수 κ _에프 결합 계수 κ의 곱으로 간단히 주어질 수 있습니다. 균일 격자 시간의 듀티 사이클 σ 샘플링 격자, 즉 κ _에프 =κ × σ [16]. 따라서 샘플링 격자의 결합 계수는 샘플링 격자의 결합 강도를 최적화하는 이점이 있는 샘플링 격자의 듀티 사이클에 의해 임의로 조정될 수 있습니다. 그 결과, 출력 전력이 향상될 수 있었다. 그림 3b는 전송 매트릭스 방법을 기반으로 샘플링된 격자의 계산된 투과 스펙트럼과 펄스 조건에서 측정된 EL(electroluminescence) 스펙트럼을 보여줍니다. λ ₋₁ 및 λ ₊₁ 샘플링된 격자에 의해 도입된 추가 수퍼 모드입니다. 수퍼 모드의 인접 스펙트럼 거리는 Δλ로 계산할 수 있습니다. =λ _나 ² /(2n _에프 피 ) 여기서 n _에프 는 도파관의 유효 인덱스이고 λ _나 는 기본 균일 격자의 브래그 파장[17]입니다. 수퍼 모드의 존재는 단일 모드 안정성에 영향을 미칠 수 있지만 수퍼 모드는 작은 샘플링 주기 P를 선택하여 이득 곡선 중심에서 멀리 떨어져 설계할 수 있습니다. 슈퍼 모드의 스펙트럼 거리 공식에 따라. 우리 연구에서 기본 브래그 격자 주기 Λ , 샘플링 기간 P , 도파관의 유효 인덱스 n _에프 , 및 듀티 사이클 σ 는 각각 0.758 μm, 15 μm, 3.21 및 1/3이므로 수퍼 모드의 인접 스펙트럼 거리는 약 246 nm입니다. 그림 3b에서 볼 수 있듯이 Bragg 파장(0차)은 이득 곡선의 피크 주변에 설계되었으며 + 1차 및 - 1차 파장은 이득 곡선 중심에서 별도로 246 nm 떨어져 있습니다. 마지막으로, 우리 연구에서 0차 모드에서 안정적인 단일 모드 레이저를 얻을 수 있습니다. 그림 4a는 다양한 주입 전류에서 샘플링 격자의 시뮬레이션된 광학 필드 분포를 보여줍니다. 알 수 있는 바와 같이, 두 끝면에서 샘플링 격자 구조에 대한 광학 필드 강도 분포가 극적으로 개선되었으며, 이는 출력 전력의 주요 개선에 해당합니다. 그림 4b는 끝면 중 하나 근처의 광 필드 분포를 증폭한 것이고, 그림 4c는 주입 전류에 따른 끝면의 광 필드 강도의 세부적인 변화를 보여줍니다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 광학 필드 분포의 프로파일은 매끄럽지 않고 변동한다. 변동은 캐비티를 따라 "국소화된" 에너지 밀도 집중을 유도하는 각 샘플링 기간에서 블록 영역과 비격자 영역 사이의 "계면 반사"로 인해 발생합니다. 또한 그림 4c에서 볼 수 있듯이 종단면의 상대 강도 분포의 변화는 주입 전류에 따라 비선형적이므로 장치의 전력-전류 곡선에서 비선형성을 유발할 수 있습니다.

아 샘플링 격자 구조의 다이어그램, 수직 점선은 절단면 위치를 나타냅니다. P 는 샘플링 기간이며 u 는 한 샘플링 기간에서 격자 영역의 길이입니다. ㄴ 파란색 선은 설계된 샘플링 격자의 계산된 투과 스펙트럼이고 빨간색 선은 제작된 웨이퍼의 측정된 전자발광 스펙트럼입니다.

아 다양한 주입 전류에서 샘플링 격자의 시뮬레이션된 광학 필드 분포. ㄴ 끝면 중 하나 근처에서 광학 필드 분포의 증폭. ㄷ 주입 전류에 따른 끝면에서의 광학 필드 상대 강도의 세부 변화

QCL 구조는 n-InP(Si, 2 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ ) 고체 소스 분자 빔 에피택시(MBE)에 의한 기판. 활성 코어는 변형률 보상 In_0.67의 40단계로 구성됩니다. Ga_0.33 As/In_0.37 알_0.63 양자 우물 및 장벽으로서 상부 및 하부 InGaAs 가둠 층으로 둘러싸인 광자를 생성하기 위한 전자 전이 채널을 제공합니다. 격자는 기존의 광학 리소그래피와 결합된 이중 빔 홀로그래픽 리소그래피 기술을 사용하여 상부 InGaAs 가둠 층에 정의되었습니다. 그 다음 상부 도파관 층은 금속 유기 기상 에피택시(MOVPE)에 의해 성장되었다. 그 후 웨이퍼는 효율적인 열 제거를 위해 반절연 InP:Fe로 채워진 평균 코어 폭이 약 10 μm인 이중 채널 릿지 도파관 레이저로 처리되었습니다. 450nm 두께의 SiO₂ 그런 다음 절연을 위해 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD)에 의해 층을 증착하고 전자빔 증발에 의해 증착된 Ti/Au 층에 의해 전기적 접촉을 제공했습니다. 열 분산을 개선하기 위해 추가로 5μm 두께의 금층을 전기도금했습니다. 약 140 μm까지 얇게 된 후, Ge/Au/Ni/Au 금속 접촉층이 기판 측에 증착되었습니다. 그런 다음 도파관을 4mm 및 6mm 길이의 막대로 절단하고 Al₂로 구성된 고반사율(HR) 코팅 O₃ /Ti/Au/Al₂ O₃ (200/10/100/120 nm)은 전자빔 증발에 의해 면 중 하나에 증착되어 가장자리 방출 전력 측정을 위해 코팅되지 않은 면이 남습니다. 마지막으로 레이저는 인듐 땜납을 사용하여 다이아몬드 방열판에 에피층이 아래로 향하도록 장착한 후 효과적인 방열을 위해 구리 방열판에 납땜했습니다.

결과 및 토론

장치의 스펙트럼은 해상도가 0.25 cm ⁻¹ 인 푸리에 변환 적외선 분광기로 테스트되었습니다. . 그런 다음 레이저를 열전 냉각기와 결합된 서미스터가 포함된 홀더에 장착하여 하위 장착 온도를 모니터링하고 조정했습니다. 방출된 광출력은 보정 없이 레이저 패싯 앞에 배치된 보정된 열전퇴 감지기로 측정되었습니다.

그림 5와 6은 각각 4mm 및 6mm 캐비티 길이 샘플링 격자 DFB QCL을 가진 장치의 방출 스펙트럼과 광전류-전압(L-I-V) 특성을 보여줍니다. 이미 보았듯이 스펙트럼은 모든 테스트 프로세스 동안 주입 전류 또는 온도에 따라 선형으로 변합니다. CW 모드에서 장치의 최대 광 출력은 1.2A 및 1.4A에서 각각 4mm 및 6mm 캐비티 길이에 대해 20 °C에서 649 mW 및 948 mW입니다. 또한 1.59kA/cm ² 장치의 낮은 CW 임계값 전류 밀도 및 1.05kA/cm ² 20 °C에서 4mm 및 6mm 캐비티 길이에 대해 달성되며, 이는 매립 격자의 작은 도파관 손실 및 낮은 임계 전류 밀도의 이점을 완전히 반영합니다. lasing spectra에서 관찰한 바와 같이 lasing 모드는 온도나 주입 전류의 변화에 ​​선형적이며, 이는 주입 전류나 온도의 변화 과정에서 모드 호핑이 발생하지 않음을 나타냅니다. 그러나 전력-전류 곡선은 선형이 아니며, 이는 샘플링 격자 구조의 광학 필드 분포의 변동과 이전에 분석된 주입 전류로 끝면의 광학 필드 강도가 불균일하게 변화하기 때문에 발생합니다.

<그림>

아 약 1.1 × I의 전류에서 공동 길이가 4 mm인 샘플링된 격자 DFB QCL의 단일 모드 CW 방출 스펙트럼 _번째 15–70 °C의 다양한 방열판 온도용. 삽입된 그림은 20 °C에서 0.05A 간격으로 0.63~1.08A의 다양한 주입 전류에서 CW 방출 스펙트럼을 보여줍니다. ㄴ 다양한 온도에서 캐비티 길이가 4 mm인 샘플링된 격자 DFB QCL의 CW 광-전류-전압(L-I-V) 특성

<그림>

아 약 1.1 × I 전류에서 공동 길이가 6 mm인 샘플링된 격자 DFB QCL의 단일 모드 CW 방출 스펙트럼 _번째 15–70 °C의 다양한 방열판 온도용. 삽입된 그림은 20 °C에서 0.05A 간격으로 0.63~1.38A의 다양한 주입 전류에서 CW 방출 스펙트럼을 보여줍니다. ㄴ 다양한 온도에서 공동 길이가 6 mm인 샘플링된 격자 DFB QCL의 CW 광-전류-전압(L-I-V) 특성

그림 7은 약 1.25 × I 펄스 작동에서 장치의 원거리장 프로파일을 보여줍니다. _번째 실온에서. 그림 7a는 융기 폭 방향을 따른 원거리장 프로파일을 보여주고, 그림 7b는 에피택셜 성장 방향을 따른 원거리장 프로파일을 보여줍니다. 실험 연구에 따르면 기본 횡 모드와 표면의 상부 금속 접촉 간의 결합으로 인해 기본 횡 모드의 손실이 증가하기 때문에 기본 횡 모드가 표면 금속 격자 구조보다 매립된 격자 구조에서 더 쉽게 레이저 모드가 될 수 있음이 입증되었습니다. 금속 격자 구조 [6]. 이에 따르면, 능선 폭 방향을 따라 반치폭(FWHM)이 28.2°인 기본 가로 모드의 원거리장 프로파일이 우리 실험에서 얻어졌습니다. 따라서 매립형 격자 구조의 또 다른 명백한 이점은 레이저 모드가 일반적으로 시준에 유리한 단일 로브 원거리장 프로파일을 갖는 기본 가로 모드라는 점입니다. 또한 파장과 같은 차수의 작은 방출 구멍으로 인해 에피택셜 성장 방향을 따라 50.1°의 큰 FWHM이 얻어집니다.

<그림>

아 능선 너비 방향을 따른 원거리 프로파일. ㄴ 에피택셜 성장 방향을 따른 원거리 프로파일

결론

결론적으로, 낮은 임계값, 높은 출력 전력 안정적인 단일 모드 방출 샘플링 격자 DFB QCL이 달성되었습니다. 최대 CW 출력 및 임계값 전류 밀도는 0.948 W(0.649 W) 및 1.05kA/cm ² 입니다. (1.59kA/cm ² ) 6mm(4 mm) 캐비티의 경우. 결합 강도를 줄이기 위해 작은 샘플링된 듀티 사이클을 도입함으로써 광학 필드 분포의 주요 개선이 실현됩니다. 단일 로브 원거리장 프로파일도 관찰됩니다. 따라서 매설된 분산 피드백 양자 캐스케이드 레이저의 경우 샘플링 격자를 통합하는 것은 고출력, 낮은 임계값, 안정적인 단일 모드 방출 및 높은 단일 모드 수율을 가진 장치를 달성하는 간단하고 효과적인 방법입니다.

약어

CW:

연속파

DFB:

분산된 피드백

EL:

전자발광

FWHM:

최대 절반에서 전체 너비

인사:

높은 반사율

L–I–V:

빛-전류-전압

MBE:

분자빔 에피택시

MOVPE:

금속 유기 기상 에피택시

PECVD:

플라즈마 강화 화학 기상 증착

QCL:

양자 캐스케이드 레이저

Triblock Copolymer-Assisted Synthesis 및 해당 커패시터 특성을 통한 조정 가능한 크기의 단분산 탄소 구의 형성 수소가 풍부한 Al2O3 유전체를 사용하여 열 예산이 매우 낮은 고성능 a-InGaZnO 박막 트랜지스터