Talbot 캐비티와 통합된 테이퍼 양자 캐스케이드 레이저 어레이

초록

광역 양자 캐스케이드 레이저(QCL)의 전력 스케일링은 일반적으로 다중 로브 원거리장 패턴의 방출로 빔 품질을 저하시킵니다. 이 편지에서 우리는 어레이의 한쪽에 Talbot 캐비티와 통합된 테이퍼형 QCL 어레이를 보여줍니다. 기본 슈퍼모드 작동은 Talbot 캐비티에 연결된 테이퍼 직선형 어레이에서 달성됩니다. 기본 수퍼모드의 측면 원거리 필드는 2.7^° 의 근회절 제한 빔 발산을 보여줍니다. . 5개 요소 어레이의 출력 전력은 방출 파장이 약 4.8μm인 단일 리지 레이저의 약 3배입니다. 그러나 Talbot 캐비티에 연결된 테이퍼 엔드가 있는 어레이는 Talbot 캐비티 길이에 관계없이 항상 고차 수퍼모드 작동을 보여줍니다.

<섹션 데이터-제목="배경">

배경

1994년에 발명된 QCL(Quantum cascade laser)은 파장 유연성과 휴대성으로 인해 중적외선 및 원적외선 분야에서 가장 중요한 광원 중 하나였습니다[1,2,3]. QCL의 인기 있는 응용 프로그램은 자유 공간 광통신 및 지향성 적외선 대책(DRICM), 폭발물, 독소, 오염 물질의 미량 화학 감지 및 의료 테스트와 같은 많은 영역을 포괄합니다[4,5,6,7]. 일부 응용 프로그램은 더 나은 전파 방해 효과와 감지 정확도를 위해 항상 높은 출력 광 전력을 요구합니다. 활성 영역 영역의 폭을 넓힘으로써 고전력 QCL을 얻을 수 있습니다. 그러나 도파관 엔지니어링 설계 또는 외부 광학 없이 능선을 단순하게 확장하면 다중 로브 원거리장 패턴을 방출하는 QCL의 빔 품질이 저하됩니다[8]. 단일 로브 방출은 과거에 광결정 분포 피드백(PCDFB) QCL, 각진 공동 QCL, 마스터 발진기 전력 증폭기 QCL 및 외부 피드백 메커니즘을 통한 광역 QCL과 같은 방법으로 얻어집니다[9,10,11 ,12]. 최근에 위상 고정 어레이는 일관된 좁은 빔 패턴으로 발광하는 넓은 능선 QCL을 유지하기 위해 널리 사용되는 접근 방식이었습니다.

위상 고정 어레이는 1980년대 이후로 넓은 융기 및 낮은 발산 반도체 레이저에 능숙하게 적용되었습니다[13]. 이전 연구에서 위상 고정 QCL 어레이는 과거 근적외선 레이저와 마찬가지로 Y 접합 어레이, 공진 누설파 결합 어레이 및 소멸파 결합 어레이에서 연구되었습니다[14,15,16 ,17,18]. 이러한 구조는 도파관에서 큰 손실을 가져오거나[15] 결합을 얻기 위해 짧은 인접 거리를 추구함으로써 열 축적을 초래합니다[16,17,18]. 최근에 회절 결합 Talbot 효과를 기반으로 측면 공동을 통합한 회절 결합 QCL 어레이가 보고되었습니다[19]. 회절 결합 구조에서 결합은 능선 끝의 회절과 공동면의 반사에 의해 Talbot 공동에서 발생합니다. 회절 결합 위상 고정 QCL 어레이 요소는 넓은 공간에 배치할 수 있으므로 열 축적이 감소합니다.

Talbot 효과는 주기적인 구조가 일정한 거리에서 자체 이미지를 생성할 수 있는 잘 알려진 광학 현상입니다[20]. 이 효과는 근적외선의 위상 고정 레이저에 이용되었으며, 이를 회절 결합 방식 위상 고정 어레이라고 합니다[21,22,23]. 이 방법에서 평면 미러는 광학 피드백을 제공하기 위해 레이저 어레이의 캐비티 패싯 앞에 배치되어야 합니다. 미러와 어레이 패싯 사이의 길이는 소위 Talbot 거리라고 하며 다음과 같이 정의됩니다.

$$ {Z}_t=\frac{2n{d}^2}{\lambda } $$

여기서 n 재료의 굴절률, d 는 어레이의 중심 간 거리이고 λ 자유 공간 파장입니다. 어레이 채널에 반영되는 수퍼 모드는 자체 재생식 진동을 얻습니다. 그림 1은 부분 Talbot 거리에서 기본 수퍼모드와 고차 수퍼모드의 분포를 보여줍니다. Z에서 슈퍼모드가 되면 _그 /4 위치가 어레이 채널에 반영되고 기본 수퍼 모드 중첩 및 연산이 추출됩니다.

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부분 Talbot 평면에서의 기본 및 고차 수퍼모드 분포. 파란색 타원은 기본 수퍼모드에 해당하고 갈색 타원은 고차 수퍼모드에 해당합니다.

Talbot 캐비티 위상 고정 QCL 어레이의 출력 전력은 Talbot 캐비티와 어레이 채널 간의 결합 효율이 낮기 때문에 제한됩니다. Talbot 캐비티 QCL 어레이의 출력을 더욱 높이려면 필링 팩터(용지 폭 대 주기의 비율)를 높여야 합니다. 반면, 채널 폭을 넓히면 어레이 요소의 고차 모드 방출이 발생합니다. 중심 간 거리를 줄이면 열 축적이 증가합니다. 테이퍼 구조는 단일 능선 자체의 기본 모드 작동을 보장함과 동시에 충전율을 높이는 가장 좋은 방법 중 하나입니다. 이 편지에서는 테이퍼 구조를 활용하고 테이퍼 구조의 한쪽에 Talbot 공동을 각각 통합합니다. Talbot 캐비티에 연결된 직선형 장치는 2.7°의 근거리 회절 제한(D.L.) 원거리 발산으로 기본적인 수퍼 모드 작동을 보여줍니다. 대조적으로, Talbot 캐비티에 연결된 테이퍼 엔드가 있는 장치는 Talbot 캐비티 길이가 무엇이든 고차 수퍼 모드 작동을 보여줍니다. 1.3W의 최대 피크 전력은 임계 전류 밀도가 3.7kA/cm² 인 Talbot 캐비티에 직선 끝이 연결된 장치에서 얻을 수 있습니다. 298K에서 기울기 효율 0.6W/A.

방법

QCL 웨이퍼는 n-도핑된(Si, 2 × 10¹⁷ cm⁻³ ) 고체 소스 분자빔 에피택시(MBE)에 의한 InP 기판 웨이퍼. 활성 영역(AR) 구조는 35개의 스트레인 보상 In_0.67 주기로 구성됩니다. Ga_0.33 As/In_0.37 알_0.63 양자 우물 및 장벽으로. 제조 전 전체 웨이퍼 구조는 4μm 하부 InP 클래딩 층(Si, 3 × 10¹⁶ cm⁻³ ), 0.3μm 두께의 n-In_0.53 Ga_0.47 층으로 (Si, 4 × 10¹⁶ cm⁻³ ), 35개의 활성/주사기 단계, 0.3μm 두께의 n-In_0.53 Ga_0.47 층으로 (Si, 4 × 10¹⁶ cm⁻³ ), 2.6μm InP 상부 클래딩 층(Si, 3 × 10¹⁶ cm⁻³ ), 0.15μm InP 점진적 도핑층(1 × 10¹⁷ 에서 변경) ~ 3 × 10¹⁷ cm⁻³ ) 및 0.4μm 고농도 InP 클래딩 층(Si, 5 × 10¹⁸ cm⁻³ ).

MBE에서 에피택시 후, 장치는 습식 화학적 에칭 방법으로 에칭된 다음 450 nm SiO₂를 증착했습니다. 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD)으로. 전기 주입 창을 연 후 상단 금속 접점이 형성되었습니다. Talbot 캐비티와 Tapered 어레이의 두 섹션은 Au 상단 접점을 통해 전기적으로 연결됩니다. 그 다음, 웨이퍼 기판을 얇게 하고 하부 접촉 금속 접촉부를 증발시켰다. 웨이퍼는 Talbot 캐비티 길이를 정밀하게 제어하기 위해 다이싱 톱으로 약 2mm 길이로 절단되었습니다. 마지막으로 장치는 인듐 땜납으로 구리 방열판에 에피층 쪽이 아래로 가도록 납땜되었습니다. Talbot 캐비티 섹션은 전기적으로 주입되기 때문에 넓은 치수로 열이 축적되며 향후 작업에서는 전기 절연을 사용하여 방지해야 합니다. Talbot 캐비티 섹션은 웨이퍼 본딩 및 정렬과 같은 복잡한 제조를 사용하여 다른 도파관 재료로 대체될 수 있으며 위상 고정 작동이 여전히 달성될 수 있습니다. 그림 1의 Talbot 캐비티의 수퍼모드 분포에 따라 Talbot 캐비티 길이는 Z로 결정되었습니다. _그 /8 참조와 유사합니다. [19] 이 편지에서 약 104μm입니다. 그림 2는 장치의 스케치 및 현미경 사진을 보여줍니다. 어레이에는 5개의 테이퍼 요소와 Talbot 캐비티가 포함됩니다. 테이퍼 요소는 1mm 길이의 테이퍼 끝단과 ~ 0.9mm 길이의 직선 끝단으로 구성되며 너비는 10에서 16μm로 변경됩니다. 어레이의 인접한 요소 사이의 중심 간 간격은 25μm이고 각 레이저 장치의 길이는 약 2mm입니다. 이 논문에서 Talbot 구멍의 길이는 모두 약 104 μm입니다.

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아 배열의 테이퍼 요소 스케치. b가 있는 어레이의 3D 도식 Talbot 캐비티 및 c에 연결된 직선형 d의 전면 현미경 이미지에 해당하는 Talbot 캐비티에 연결된 테이퍼 엔드 및 e

결과 및 토론

결합 모드 이론에 따르면 위상 고정 배열의 수퍼 모드 수는 요소 수와 동일합니다[24]. 예를 들어, 5개의 요소가 있는 위상 고정 어레이에는 5개의 수퍼 모드가 있습니다. Talbot 캐비티의 어레이 요소 사이의 인접 결합만 가정하면 결합된 매트릭스를 사용하여 다른 차수 수퍼모드의 근접장 분포 패턴을 얻을 수 있습니다[24]. 어레이 측면 치수의 함수로 변화하는 근거리장 강도는 [25]로 설명될 수 있습니다.

$$ {E}_j\propto \sum \limits_{m=1}^M\sin \left(\frac{mj}{M+1}\pi \right)\exp \left[-\frac{{\ 왼쪽(x-{x}_m\오른쪽)}^2}{\오메가^2}\오른쪽] $$

여기서 j 슈퍼모드의 순서, M 배열 요소의 수, ω 는 각 요소의 가우스 빔의 허리이며 x _m 각 요소의 중심 위치입니다. 다른 차수 슈퍼모드의 시뮬레이션 결과는 그림 3a에 나와 있습니다. 해당하는 원거리장 패턴은 그림 3b와 같이 근거리장 분포에서 푸리에 변환으로 추론할 수 있습니다.

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아 N의 계산된 근거리장 패턴 =1, 3, 5-요소 회절 결합 배열의 5차 수퍼모드. 기본 슈퍼모드(N =1)은 Talbot 캐비티에 연결된 직선 끝단과 고차 수퍼모드(N =3, 5)는 Talbot 캐비티에 연결된 테이퍼를 기반으로 합니다. ㄴ a에 따른 시뮬레이션된 원거리장 패턴 . ㄷ Talbot 캐비티에 직선 끝이 연결된 QCL 어레이의 측정된 원거리 분포. d Talbot 캐비티에 연결된 테이퍼 엔드가 있는 QCL 어레이의 측정된 원거리 분포

Talbot 캐비티 위상 고정 어레이의 원거리장 패턴은 상온 MCT(mercury-cadmium-telluride) 검출기가 있는 잠금 기술을 사용하여 어레이 도파관 패싯에서 측정되었습니다. 회전 스테이지에 장착된 QCL 어레이는 MCT 검출기에서 ~ 25cm 떨어진 곳에 배치되었으며 데이터 수집을 위해 자체 제작한 소프트웨어로 제어되었습니다. Talbot 캐비티 어레이의 측정된 원거리장 패턴은 그림 3c, d에 나와 있으며, 이는 Talbot 캐비티 장치에 연결된 직선 끝단과 Talbot 캐비티 장치에 연결된 테이퍼 끝단에 해당합니다. 그림 3c의 원거리장 분포는 0°에서 강한 중심 로브를 보여주며, 이는 커플 모드 이론에 따른 기본 수퍼 모드 작동의 존재를 나타냅니다. 반치폭(FWHM)은 약 2.7°로 D.L.에 따른 회절 제한(D.L.) 발산각을 나타냅니다. 공식:sin θ =1.22λ /d , 여기서 θ 는 DL입니다. 각도, λ 는 파장이고 d 배열의 광 출력 너비입니다. 광출력 폭이 16μm인 테이퍼형 단일 이미 터의 경우 D.L. FWHM 발산은 약 21°입니다. 사이드 로브는 단일 방사체 원거리 엔벨로프의 FWHM 위치에 매우 가까운 ~ 12° 주위에 나타납니다. 중앙 로브와 사이드 로브의 강도는 단일 에미터 원거리장 패턴의 분포에 해당합니다. 따라서 측엽의 강도는 중앙 엽의 절반입니다. 또한, 단일 로브 원거리장 프로파일 어레이는 능선 너비를 증가시켜 어레이 요소의 발산을 줄임으로써 얻을 수 있습니다. 더 넓은 능선 너비는 테이퍼를 넓히면 얻을 수 있습니다. 그림 3d의 원거리장 패턴은 중심 0° 위치에 로브가 없지만 주로 이중 로브이며 그림 3b의 3차 수퍼 모드에 해당하는 고차 수퍼 모드의 작동을 보여줍니다. 기본적인 슈퍼모드 동작을 얻기 위해 우리는 90~110μm 스테핑 1μm의 다른 Talbot 캐비티 길이를 가진 장치를 제작했습니다. 불행히도 Talbot 캐비티에 연결된 테이퍼 엔드가 있는 장치의 기본적인 수퍼모드 작동은 Talbot 캐비티 길이에 관계없이 얻을 수 없습니다.

두 가지 유형 배열의 원거리장 결과는 ref의 이론적 모델로 설명할 수 있습니다. [19, 21]. Talbot 캐비티는 서로 다른 수퍼모드에 대해 서로 다른 등가 반사율을 갖는 반사 거울로 근사화될 수 있습니다. 높은 등가 반사율은 높은 이득 효율과 낮은 임계 이득을 의미합니다. 등가 반사율의 계산 및 시뮬레이션은 ref와 유사합니다. [19]. 그림 4는 Talbot 캐비티 길이의 함수로 변하는 서로 다른 차수의 수퍼모드에 대한 등가 반사율의 시뮬레이션 결과를 보여줍니다. N 이후 =2, 위상 고정 어레이의 4차 수퍼모드는 항상 N보다 더 큰 도파관 손실을 가집니다. =1, 3, 5차 수퍼모드, 여기 시뮬레이션에서는 무시됩니다. Talbot 캐비티 어레이에 연결된 직선형의 경우 기본 수퍼 모드는 Z 주변의 고차 수퍼 모드와 비교하여 가장 높은 등가 반사율과 큰 식별력을 갖습니다. _그 /8. Talbot 캐비티에 연결된 테이퍼 엔드의 경우 기본 수퍼 모드와 고차 수퍼 모드 간의 구별이 상대적으로 작습니다. 이 경우 레이저는 Talbot 캐비티 장치에 연결된 테이퍼 끝의 약한 모드 식별로 인해 3차 수퍼 모드에서 작동하는 경향이 있습니다.

<그림>

Talbot 공동의 이론적 등가 반사 강도는 N에 대한 Talbot 공동 길이의 함수로 변경됩니다. =1, 3, 5 요소 5개 요소 Talbot 캐비티 QCL 어레이의 수퍼 모드, 위쪽은 Talbot 캐비티에 연결된 직선 끝을 보여주고 아래는 Talbot 캐비티에 연결된 테이퍼 끝을 보여줍니다.

방출된 광출력은 레이저 도파관 패싯 바로 앞에 배치된 보정된 열전퇴 검출기로 측정되었습니다. 스펙트럼 측정은 0.25cm⁻¹ 의 푸리에 변환 적외선(FTIR) 분광기를 사용하여 수행되었습니다. 빠른 스캔 모드에서 해상도. 그림 5a는 듀티 서클이 0.2%이고 전류 드라이버가 2kHz로 유지되는 펄스 모드에서 전력 전류(P-I) 특성을 보여줍니다. Talbot 캐비티 QCL 어레이에 연결된 직선형 장치의 경우 임계 전류 밀도가 3.7kA/cm² 인 298K에서 총 피크 전력 1.3W를 얻습니다. 및 0.6W/A의 기울기 효율, 임계값 전류 밀도 3.4kA/cm² 에서 1.6W 출력 전력에 해당 파란색 선과 보라색 선으로 표시된 것처럼 테이퍼 엔드 어레이에 대한 0.65 W/A의 기울기 효율. 대조적으로, 2mm 길이 × 10μm 너비의 릿지가 있는 단일 레이저 장치는 0.41W의 최대 피크 전력, 3kA/cm2의 임계 전류 밀도를 나타냅니다.² , 및 1 W/A의 기울기 효율. 기본 동작이 있는 어레이의 출력 전력은 단일 이미터의 3배입니다. 테스트 결과를 보다 간략하게 나타내기 위해 세 소자의 출력 특성을 표 1에 정리하였다. 각 소자의 평균 출력 전력은 단일 이미터의 약 63%로 ref. [19]. 참조 [26]은 개별 어레이 요소의 평균 전력이 단일 이미터의 43%인 캐비티 내 Talbot 필터가 있는 위상 고정 QCL 어레이를 보고합니다. Talbot 캐비티와 어레이 소자 사이에 하나의 접합이 있는 장치보다 효율이 낮습니다. 이는 습식 에칭 방법으로 인해 두 개의 원형 접합에서 추가적인 광학 손실이 발생하기 때문입니다. 참조 [27]은 결합 효율이 약 83%이고 단일 에미터의 출력 전력이 5배인 Talbot 공동과 통합된 6개 요소 장치를 보고합니다. 우리 장치의 낮은 효율은 Talbot 캐비티의 더 강한 에지 회절 손실과 습식 에칭 방법으로 제조하기 때문일 가능성이 큽니다. 다음 작업은 건식 에칭 방법을 채택하고 테이퍼 영역 길이를 늘려 더 많은 전력 스케일링을 얻어야 합니다. 그림 4a의 삽입은 실온 및 1.3 I에서 위상 고정 어레이의 레이저 스펙트럼을 보여줍니다. _번째 . 중심 파장은 세로 모드 선택 메커니즘의 부족으로 인한 다중 모드 특성으로 4.8μm로 측정되었습니다. 단일 모드 스펙트럼은 상단 클래딩 레이어에 분산 피드백(DFB) 격자를 도입하여 얻을 수 있습니다. 광범위한 QCL 및 QCL 어레이의 열 특성은 유한 요소 소프트웨어 COMSOL로 시뮬레이션됩니다. 고정 릿지 너비는 10μm로 설정되고 어레이 요소의 간격은 5μm 간격으로 0에서 20μm로 변경됩니다. 그림 5b는 요소 간 공간의 함수로 변화하는 AR의 온도를 보여줍니다. Wide ridge 장치의 AR 온도는 Talbot 캐비티 장치의 온도보다 약 20K 높습니다.

<그림>

아 Talbot 캐비티 QCL 어레이와 2mm 길이 × 10μm 너비에 연결된 직선 끝(파란색 선)/테이퍼 끝(보라색 선)에 대한 298K에서 주입 전류의 함수로서의 총 피크 전력 변화 단일 레이저(녹색 선). 모든 장치는 캐비티의 양면에 코팅이 없습니다. 전류 드라이버는 0.2%의 듀티 서클로 2kHz로 유지됩니다. 삽입된 그림은 1.3배의 임계 전류에서 직선형 어레이의 레이저 스펙트럼으로, 약 4.8μm에서 정점을 이룹니다. ㄴ 어레이 요소 간격의 함수로 변경되는 QCL 어레이의 활성 영역 온도. 어레이 요소 릿지 너비는 10μm로 고정되고 간격은 5μm 간격으로 0에서 20μm로 변경됩니다.

결론

결론적으로, 우리는 각각 스트레이트 엔드 및 테이퍼 엔드에서 Talbot 캐비티와 통합된 테이퍼형 QCL 어레이를 시연했습니다. 직선 끝에 통합된 Talbot 캐비티가 있는 장치는 D.L. 4.8μm의 방출 파장에서 2.7°의 발산. 기울기 효율이 0.6W/A인 직선형 어레이에 대해 1.3W의 출력이 얻어집니다. Talbot 캐비티 위상 고정 어레이는 매우 가까운 결합 거리가 필요하지 않기 때문에 열 축적은 소멸파 결합 어레이보다 낮습니다. 이러한 장치는 D.L.과 함께 높은 듀티 사이클 작동의 고휘도 QCL 어레이에 대한 가능성이 있습니다. 분기. 향후 작업은 적절한 어레이 요소 릿지 폭 및 인터스페이스 선택, 매립형 릿지 도파관 사용, 마이크로 충돌 냉각기를 사용한 열 관리에 중점을 두어야 합니다[28]. 또한 AR의 감소된 캐스케이드 수는 고휘도 QCL의 높은 듀티 사이클 작동에 크게 기여할 것입니다[29].

약어

AR:: 활성 지역
CW:: 연속파
D.L.:: 회절 제한
DFB:: 분산된 피드백
FWHM:: 최대 절반의 전체 너비
나 _번째 :: 임계값 전류
MBE:: 분자빔 에피택시
MCT:: 수은-카드뮴-텔루르화물
MOVPE:: 금속 유기 기상 에피택시
PECVD:: 플라즈마 강화 화학 기상 증착
P-I:: 전력 전류
QCL:: 양자 캐스케이드 레이저
WPE:: 벽면 플러그 효율성

Al/PTFE 나노라미네이트와의 통합을 기반으로 한 향상된 에너지 성능 구조적 색상의 극세사를 사용한 광 스위칭 패턴 제작

나노물질