고출력 분산 브래그 반사체 양자 캐스케이드 레이저의 비정상적인 모드 전환

결과 및 토론

장치의 스펙트럼은 0.125 cm ⁻¹ 해상도의 푸리에 변환 적외선 분광기로 테스트되었습니다. . 장치의 전력-전류-전압(P-I-V) 특성은 보정된 열전퇴 감지기로 테스트되었습니다. 레이저는 서브 마운트 온도를 모니터링하고 조정하기 위해 열전 냉각기와 결합된 서미스터를 포함하는 홀더에 장착되었습니다. 방출된 광출력은 보정 없이 레이저 패싯 앞에 배치된 보정된 열전퇴 감지기로 측정되었습니다.

그림 2a는 1.005I_th의 주입 전류로 2 °C 간격으로 20 °C ~ 70 °C의 다양한 방열판 온도에서 DBR 레이저의 연속파(CW) 방출 스펙트럼을 보여줍니다. . 그림 2b는 레이저의 파수 대 온도 곡선을 보여주고 삽입된 그림은 24 °C의 레이저 스펙트럼을 로그 좌표로 보여줍니다. 여기서 측면 모드 억제 비율(Side-Mode Suppression Ratio, SMSR)은 약 25 dB입니다. 기존 단일 모드 DFB QCL에서 파장은 온도 또는 전류의 증가에 따라 선형으로 더 긴 파장으로 이동합니다[14, 15]. 그러나 그림 2에서 볼 수 있듯이 온도가 상승하면 모드가 더 짧은 파장으로 이동하는 비정상적인 튜닝 동작이 관찰됩니다.

아 온도에 따라 변화하는 레이저의 방출 스펙트럼. ㄴ 레이저의 파수 대 온도 곡선. 삽입은 대수 좌표에 의한 24 °C의 레이저 스펙트럼을 보여줍니다.

비정상적인 모드 홉의 발생을 정성적으로 설명하려면 먼저 DBR QCL 장치에서 단일 모드의 메커니즘을 분석해야 합니다. 이는 그림 3에 명확하게 표시되어 있습니다. 그림 3a는 측정된 웨이퍼 이득 곡선을 나타내고 반사를 계산합니다. 1.5mm 길이의 DBR 격자의 반사율이 약 98%인 MATLAB의 전송 매트릭스 방법을 기반으로 한 브래그 격자의 곡선입니다. 이해를 쉽게 하기 위해 DBR QCL 캐비티에서 위상 조건을 만족하는 게인 곡선, 브래그 격자의 반사 곡선, 허용된 세로 모드가 표시되는 DBR QCL 모드 선택 메커니즘의 개략도를 표시하고 이동을 제공합니다. 그림 3b에서 온도가 증가함에 따라 특성이 추가로 나타납니다. 이 세로 모드 중 어떤 세로 모드가 레이저 모드가 될 수 있습니까? 두 가지 조건을 충족해야 합니다. 먼저 브래그 반사 피크 내에 있어야 합니다. 또 다른 조건은 이득과 반사율 값의 곱이 최대이어야 한다는 것입니다[9]. 또한 이득 곡선, 반사 곡선 및 세로 모드 스펙트럼은 모두 온도가 증가함에 따라 더 긴 파장으로 이동합니다. 그런 다음 − 0.581 cm ⁻¹ 의 이동 속도를 얻기 위해 온도 변화에 따른 이득 피크 곡선을 측정하고 맞추었습니다. K ⁻¹ . 온도 증가에 따른 브래그 반사 피크는 약 - 0.128 cm ⁻¹ 입니다. K ⁻¹ 유사한 파장 범위에서 이전에 보고된 결과에 따르면 [16]. 즉, Bragg 반사 피크는 온도가 증가함에 따라 항상 이득 피크의 더 짧은 파장 측에 남아 있습니다. 온도의 증가에 따른 세로 모드 스펙트럼 이동은 주로 온도의 증가에 따라 증가하는 모드 굴절률에 기인하며, 그의 이동 속도는 이득 이동 속도보다 작은 온도 증가에 따른 브래그 반사 피크의 이동 속도와 유사합니다. 정점. 그러나 게인 영역의 온도는 캐리어 주입에 의한 열 효과로 인해 DBR 영역보다 약간 높습니다. 결과적으로 세로 모드 스펙트럼은 온도가 증가함에 따라 Bragg 피크보다 약간 빠르게 이동할 수 있습니다. 우리는 그림 3b의 Bragg 피크 내에서 3개의 세로 모드를 , b 및 c로 지정합니다. 초기에 모드 a는 레이징 모드였으며 모드 a는 선형으로 조정되고 온도가 증가함에 따라 더 긴 파장으로 이동합니다. 레이저 모드는 모드 a가 브래그 곡선의 중심에서 멀어지고 이득과 반사율 값의 곱이 세로 모드 스펙트럼의 약간 더 빠른 이동 속도로 인해 더 이상 최대가 아닐 때 모드 b로 대체됩니다. 이후 모드 b는 모드 등의 과정을 반복하였다. 따라서 Fig. 2에서 비정상적인 모드 홉 현상이 관찰된다. 모드 홉이 세로 모드 사이인지 확인합니다. 그런 다음 장치의 전체 유효 캐비티 길이에 대한 세로 모드 간격을 계산했습니다. DBR QCL의 전체 유효 캐비티 길이는 유효 DBR 섹션 길이, 이득 섹션 길이 및 격리 간격 길이의 합입니다. 유효 DBR 길이의 정의는 위상이 반사 최대값 근처에서 상대적으로 선형적으로 변한다는 점입니다. 이러한 반사는 격자 반사의 크기와 동일한 이산 거울 반사에 의해 잘 근사될 수 있지만 거리 L _에프 그림 4a와 같이 떨어져 있습니다. 즉, 전체 DBR 격자의 기능은 수동 도파관에 해당하는 반사 미러로 대체됩니다. 물리적 DBR 격자 길이의 유효 DBR 길이는 다음 방정식을 기반으로 계산할 수 있습니다[17].

여기서 κ는 격자 결합 계수이고 L _DBR 는 물리적 격자 길이, \( \Delta \overline{\mathrm{n}} \) 는 격자의 유효 굴절률 차이, \( \overline{\mathrm{n}} \) 는 의 평균 유효 굴절률 grating, Λ는 grating 주기이다. 그림 4b는 DBR 영역의 유효 길이 대 물리적 DBR 격자 길이를 보여주며, 이는 물리적 DRB 격자 길이가 1.5mm보다 클 때 유효 DBR 길이가 더 이상 변하지 않음을 나타냅니다. 1.5mm 물리적 DBR 격자 길이의 유효 DBR 길이는 약 0.291 mm입니다. 결과적으로 이론적인 세로 모드 간격은 약 0.328 cm ⁻¹ 입니다. . 실험적 변칙 모드 홉 간격은 약 0.12 cm ⁻¹ 입니다. 온도에 따른 레이저 모드의 평균 선형 튜닝 특성은 약 0.103 cm ^-1 입니다. K ⁻¹ 변칙적인 모든 모드 홉이 발생하기 전에. 따라서 해당 모드 간격은 0.326 cm ⁻¹ 입니다. , 이는 0.328 cm ⁻¹ 의 계산 결과와 거의 일치합니다. − 0.002 cm ⁻¹ 의 오차로 .

아 측정된 웨이퍼 이득 곡선 및 MATLAB에 의한 전송 매트릭스 방법을 기반으로 브래그 격자의 반사 곡선을 계산했습니다. ㄴ DBR QCL의 모드 선택 메커니즘의 개략도

아 DBR 격자에 대한 효과적인 거울 정의의 개략도. ㄴ 유효 DBR 길이 대 물리적 격자 길이

그림 5a는 주입 전류에 따라 변화하는 방출 스펙트럼을 보여주고, 그림 5b의 상단 패널은 디바이스의 파수 대 온도 곡선을 보여주고, 그림 5b의 하단 패널은 레이저의 CW P-I 곡선을 보여줍니다. 비정상적인 모드 홉의 유사한 현상은 그림 5에서 주입 전류의 증가와 함께 관찰되며 모드 홉이 발생할 때 P-I 곡선에서 명백한 불연속성을 볼 수 있습니다. 저지대역의 두 측면 모드 사이에서 가끔 모드 홉. 이득 피크는 열 효과로 인해 주입 전류가 증가함에 따라 항상 더 긴 파장으로 이동합니다. CW 조건에서 전류에 따라 변화하는 웨이퍼의 이득 곡선을 측정하고 전류 변화에 따른 이득 피크의 곡선을 피팅하여 − 0.021 cm ⁻¹ 의 이동 속도를 얻었다. mA ⁻¹ . 전류 주입 창이 이득 영역 바로 위에 열리고 격리 간격이 존재하기 때문에 DBR 섹션에 전류 주입으로 인한 열 누화의 영향이 약합니다. 따라서 브래그 반사 곡선은 주입 전류에 따라 거의 변하지 않습니다. 세로 모드 스펙트럼은 또한 열 효과로 인한 모드 유효 굴절률의 변화로 인해 더 긴 파장으로 약간 이동합니다. 따라서 주입 전류 상승 시에도 유사한 모드 홉 이상 현상이 관찰됩니다. 첫 번째 변칙 모드 홉 간격은 약 0.904 cm ⁻¹ 입니다. 모드 홉이 3개의 세로 모드로 교차하는 그림 5에 나와 있습니다. 두 번째 모드 홉은 0.301 cm ⁻¹ 간격으로 인접한 세로 모드 사이입니다. . 주입 전류가 있는 레이저 모드의 평균 선형 조정 특성은 약 - 0.003 cm ⁻¹ 입니다. mA ⁻¹ 모든 변칙 모드 홉이 발생하기 전에. 따라서 해당 모드 간격은 약 0.331 cm ⁻¹ 입니다. , 이는 0.328 cm ⁻¹ 의 계산 결과와도 거의 일치합니다. 0.003 cm ⁻¹ 오류 .

아 주입 전류에 따라 변화하는 방출 스펙트럼. ㄴ 상단 패널은 파수 대 온도 곡선을 보여주고 하단 패널은 레이저의 CW 전력-전류(P-I) 곡선

그림 6a는 캐비티 길이가 4 mm인 DBR 레이저와 Fabry-Perot(FP) 레이저 간의 출력 비교를 보여줍니다. FP 및 DBR 레이저의 최대 출력은 20 °C에서 각각 987 mW 및 656 mW입니다. DBR 레이저의 최대 출력 전력은 70 °C의 방열판 온도에서 여전히 235 mW이며, 이는 장파 적외선 스펙트럼 범위의 단일 모드 QCL에 대해 지금까지 보고된 가장 높은 전력 수준을 나타냅니다. 손상을 방지하기 위해 레이저는 최대 작동 전류까지 테스트되지 않았습니다. 그림 6b는 MATLAB에 의한 전송 매트릭스 방법을 기반으로 하는 6 mm의 동일한 캐비티 길이를 가진 DBR, FP 및 DFB 레이저의 광학 필드 분포를 표시합니다. DBR 레이저의 광학 필드 분포는 장치의 빛의 강도가 FP 레이저와 유사한 게인 섹션에서 거의 일정하지만 DBR 섹션에서 급격히 감소한다는 것을 나타냅니다. 이는 DFB 레이저와 달리 전력 추출에 유리합니다 , 그 빛의 강도는 장치의 중앙에서 정점을 이루고 과결합 메커니즘으로 인해 두 끝면으로 빠르게 감소하므로 결과적으로 대부분의 빛 강도는 장치의 중앙에서 제한됩니다. DFB 레이저의 결합 강도는 캐비티 길이에 정비례합니다. 따라서 DFB 레이저는 긴 캐비티 길이 장치로 절단하기에 적합하지 않습니다. 결과적으로 DBR 레이저의 또 다른 두드러진 장점은 높은 출력을 얻기 위해 긴 캐비티 길이 장치에서 제작될 수 있다는 것입니다. 따라서 DBR 구조는 고전력 및 단일 모드 방출을 달성하기 위한 일종의 잠재적인 방법입니다.

아 빨간색 곡선은 DBR 레이저의 CW 전력-전류-전압(P-I-V) 곡선이고, 검은색 곡선은 Fabry-Perot(FP) 공진기의 CW 전력-전류-전압(P-I-V) 곡선입니다. 공동. ㄴ 6 mm의 동일한 공동 길이를 가진 DBR, FP 및 DFB 레이저의 시뮬레이션된 광학 필드 분포