Subiecte

O corecție a editorului la acest articol a fost publicată la 14 mai 2018

Acest articol a fost actualizat

Abstract

Un laser cu reacție distribuită cu emisie de suprafață (DFB) cu grătare de ordinul doi excită de obicei un mod antisimetric care are o eficiență radiativă scăzută și un fascicul cu câmp îndepărtat cu dublu lob. Eficiența radiativă ar putea fi mărită prin utilizarea unor rețele curbate și chirped pentru lasere cu diode infraroșii, selecția modului asistat de plasmon pentru lasere cu cascadă cuantică în infraroșu mediu (QCL) și structuri fotonice gradate pentru QCL terahertz. Aici, demonstrăm o nouă schemă de rețea hibridă care folosește o suprapunere a grătarelor Bragg de ordinul al doilea și al patrulea care excită un mod simetric cu eficiență radiativă mult mai mare. Schema este implementată pentru QCL terahertz cu ghiduri de undă metalice. Puterea maximă de ieșire de 170 mW cu o eficiență a pantei de 993 mW A −1 este detectată cu o emisie robustă monomod monolobată pentru un QCL de 3,4 THz care funcționează la 62 K. Schema de rețea hibridă este, fără îndoială, mai simplă de implementat decât DFB menționat anterior. schemele și ar putea fi utilizate pentru a crește puterea de ieșire a laserelor DFB cu emisie de suprafață la orice lungime de undă.

Introducere

Aici descriem o nouă schemă de îmbunătățire a eficienței radiative pentru QCL-uri DFB emițătoare de suprafață în cavități metalice care realizează o putere de ieșire ridicată pentru QCL-uri terahertz monomod. Se realizează o eficiență record a pantei, care este de peste patru ori mai mare decât cea din ref. 9 și este, de asemenea, considerabil mai mare decât cea a QCL-urilor terahertz cu ghiduri de undă cu un singur plasmon care au atins recent puteri de ieșire la nivel de watt 24, 25 .

Rezultate

Concept

O perturbație periodică într-un ghid de undă optic duce la difracția lui Bragg până la mai multe ordine superioare care ar putea fi utilizate pentru a împerechea unde de propagare în ghid de undă pentru a stabili DFB. Următoarea ecuație descrie relația de conservare a impulsului între vectorii de undă ai undei ghidate incident din interiorul cavității kși ≈ 2π/λwg = 2πneff /λ (Unde λwg este lungimea de undă din interiorul ghidului de undă, λ este lungimea de undă a spațiului liber și nef este indicele efectiv de propagare) și cel al undei difractate kd, care ar putea fi în afara sau în interiorul cavității sub orice unghi θd (așa cum este definit în raport cu suprafața normală). Aceasta este, de asemenea, reprezentată schematic în Fig. 1a.

Aici Λ este perioada de grătar, 2π/Λ este vectorul de undă al rețelei și n este un număr întreg (n = 1,2,3 ...) care specifică ordinea difracției. Din această ecuație, se poate concluziona că a n-structura de grătar de ordinul unu, unde n este un număr par, cauzează n/ Difracția de ordinul 2 să apară în direcția normală a suprafeței.

terahertz

Implementarea schemei hibride DFB pentru QCL terahertz

0,08 THz în simularea prezentată, care se datorează faptului că o fracțiune mai mare de câmp evanescent se propagă în afara mediului activ care scade indicele efectiv de propagare nef al undelor ghidate.

Comparația DFB hibrid și DFB de ordinul II pentru QCL terahertz. A Ilustrația unei cavități metalice pentru QCL-uri terahertz, în care fantele sunt deschise în placarea metalică superioară pentru a implementa o rețea periodică 18. O rețea de ordinul patru se suprapune la un decalaj de lungime d la rețeaua originală de ordinul doi cu periodicitate Λ pentru a realiza o structură de rețea hibridă ca în Fig. 1c. b Spectru mod pentru o cavitate de 1,4 mm lungime și infinit de lată cu grătare DFB (Λ = 27 μm, lățimea fantei

3 μm) calculat cu metoda de modelare a elementelor finite. Pierderile radiative de suprafață pentru diferite moduri rezonante pentru cavitatea cu grătarele de ordinul doi sunt reprezentate în roșu (linii subțiri), iar cea pentru cavitatea cu grătarele hibride (d/Λ = 3/8) în albastru (linii groase). Insetele prezintă profiluri de câmp electric pentru modurile de margine de bandă inferioară și superioară, respectiv, ale structurii de bandă fotonice pentru fiecare tip de grătar (bara de culoare prezentată în această figură se aplică tuturor graficelor de profiluri de câmp electric). Pierderea radiativă este determinată efectiv de amplitudinea și faza câmpului electric în plan (E X ) în fante

Pentru modul simetric excitat în cazul hibridului DFB cu un anumit d/Λ = 3/8, neff este aproape de

3.2 conform Eq. (1), acest lucru este relativ scăzut nef se datorează stabilirii unui câmp puternic de plasmon polariton de suprafață (SPP) care se propagă în partea superioară a regiunii active așa cum se arată în Fig. 2b. În schimb, modul antisimetric are o dimensiune mai mare nef

3.45, ceea ce se traduce printr-o fracțiune mai mare a modului rezonant limitat în mediul activ.

Considerații de proiectare și comparație cu o structură DFB de ordinul doi cu două fante. A Pierderea calculată a suprafeței modurilor de margine de bandă pentru structura hibridă DFB prezentată în Fig. 2a, trasată în funcție de d/Λ. Distanța dintre diafragme d este un parametru de proiectare care ar putea fi utilizat pentru a modifica pierderile respective și, de asemenea, bandgap, care este, de asemenea, reprezentat. b Pierderea de suprafață și spațiul de bandă sunt, de asemenea, reprezentate în funcție de distanța dintre diafragme pentru o structură DFB de ordinul doi cu două fante (adică sunt prezente două fante în fiecare perioadă de grătar la Λ), care a fost folosit anterior pentru QCL terahertz 26. Profilurile de câmp electric în apropierea centrului cavităților pentru ambele moduri de margine de bandă sunt reprezentate grafic pentru cazul d/Λ = 0,4 ca exemplu

Rezultate experimentale

Rezultatele experimentale de la QCL-uri terahertz reprezentative implementate cu grilaje hibride DFB în modul de funcționare pulsat și montate în interiorul unui răcitor Stirling sunt prezentate în Fig. 4. Imaginea microscopului electronic de scanare (SEM) a cipului QCL fabricat și montat din Fig. 4a prezintă mai multe QCL-uri de dimensiuni variate situate una lângă alta. Rezultatele prezentate aici provin din QCL-uri cu dimensiunea 10 × 200 μm × 1,5 mm. Alegerea lungimii cavității se face pe baza estimării rezistenței cuplajului DFB și este descrisă în nota suplimentară 1 și nota suplimentară 2, unde profilul simulat al densității de energie de-a lungul lungimii cavității pentru lungimea aleasă este prezentat în figura suplimentară 1. Rețeaua hibridă DFB sub formă de fante este implementată în placarea metalică superioară. Figura 4b arată lumina - curent (L-Eu) curbe versus temperatura radiatorului, curent - tensiune (Eu-V) curba la 62 K și, de asemenea, spectrele în funcție de polarizare la 62 K. QCL emite în mod unic la toate condițiile de polarizare la

3,39 THz și funcționează până la o temperatură maximă de 105 K. Figura 4c prezintă modelul măsurat de radiații în câmpul îndepărtat, care este monolobat și o caracteristică a excitației în mod simetric pentru modul rezonant al structurii DFB. Divergența pe toată lățimea pe jumătate este maximă

5 ° × 25 ° care se potrivește îndeaproape cu rezultatul simulării cu element finit cu undă completă a cavității DFB așa cum este prezentat în Figura suplimentară 1. În cele din urmă, robustețea schemei DFB în modul de excitare dorit pe baza periodicității definite litografic este exemplificată din spectrele lasing ale a trei QCL-uri diferite cu diferite Λ prezentat în Fig. 4d. Toate QCL-urile au prezentat funcționarea monomod în întregul interval dinamic și frecvențele de lasare se scalează cu Λ cu un indice de propagare eficient nef

3.16 pentru modurile ghidate. Acest lucru este relativ scăzut nef certifică faptul că modul de margine de bandă superioară este excitat pentru aceste QCL-uri așa cum a fost proiectat.

Rezultate experimentale. A Imaginea microscopului electronic cu scanare a QCL-urilor fabricate cu terahertz cu grilaje hibride DFB, ca în Fig. 2a. b Curent - tensiune (Eu-V), și intensitatea spectrală (inserție) la diferențe de polarizare electrică la o temperatură a radiatorului de 62 K și caracteristicile luminii - curent la diferite temperaturi măsurate în modul de funcționare pulsat. Terahertzul QCL are dimensiuni 10 μm × 200 μm × 1,5 mm, perioada de grătar Λ = 28 μm și d/Λ = 3/8. c Modelul de radiație în câmp îndepărtat (intensitate optică) măsurat la 62 K aproape de polarizarea de vârf

405 A cm −2) la o distanță de 40 mm de QCL în direcția normală a suprafeței. θ X și θ y sunt unghiuri față de suprafața normală de-a lungul dimensiunilor longitudinale și laterale ale cavității QCL, respectiv. d Caracteristicile spectrale ale a trei QCL-uri diferite situate învecinate pe napolitane cu perioade de grătar diferite și d/Λ = 3/8 pentru fiecare QCL

Contribuția principală a acestei lucrări este eficiența radiativă ridicată a schemei hibride DFB. O putere maximă de ieșire optică de 170 ± 3 mW la 62 K a fost măsurată pentru QCL raportat în Fig. 4b, care este puterea detectată de la contorul de putere fără a efectua corecții pentru eficiența imperfectă a colectării și pierderile optice de la fereastra criostatului. Eficiența mufei de perete a acestui dispozitiv este

0,78% și o eficiență a pantei de 993 ± 15 mW A −1 (eficiența cuantică diferențială de 71 de fotoni/electron) este estimată din panta celor 62 K L-Eu folosind montarea liniară a curbei în intervalul de 20−80% din intervalul de polarizare al QCL. Diferențialul și eficiența pantei sunt cele mai mari realizate până în prezent de la orice QCL terahertz, inclusiv de la QCL Fabry - Pérot cu ghiduri de undă cu un singur plasmon, care au demonstrat cele mai bune eficiențe radiative anterior. Pentru comparație, QCL-urile terahertz cu grătarele convenționale de ordinul doi au fost fabricate, de asemenea, din aceeași placă MBE. L-Eu datele de la un astfel de QCL reprezentativ cu dimensiuni similare ale cavității sunt prezentate în nota suplimentară 3, care a obținut o putere de vârf de 50 mW, o temperatură maximă de funcționare de 129 K, o eficiență a mufei de perete

0,18% și o eficiență a pantei de

Discuţie

Metode

Modelare cu elemente finite

Toate simulările au fost efectuate utilizând COMSOL Multiphysics 4.4. Pentru a calcula modurile proprii ale diferitelor tipuri de structuri laser DFB prezentate în această lucrare, a fost utilizat un modul de unde electromagnetice, domeniul de frecvență (ewfd) aflat în catalogul de optică. Pentru a obține informații exacte despre pierderile de emisii, regiunea activă este modelată ca fără pierderi, iar metalul este modelat pentru a fi conductori electrici perfecți, stratul de contact foarte dopat care servește ca limite de absorbție a cavității este implementat folosind o constantă dielectrică complexă calculată folosind Modelul Drude și un strat de potrivire perfectă pentru absorbția ecourilor de graniță au fost adoptate pentru a înfășura toate marginile. Detaliile specifice modelării atât pentru simulările 2D, cât și pentru cele 3D sunt aceleași cu cele din ref. 27, caz în care pierderea calculată este suma pierderii la limitele absorbante, precum și cea datorată radiației (cuplare exterioară). Analizând frecvențele proprii și pierderile de radiații corespunzătoare, se poate estima frecvența de lasare, precum și modelele fasciculului de câmp îndepărtat.

Materiale

Mediul activ al THz-QCL-urilor se bazează pe un design de fonon rezonant cu trei godeuri cu super-rețea GaAs/Al0.15Ga0.85As (proiectare RT3W221YR16A, placă MBE VB832, cu o secvență de straturi de 57/18,5/31/9/28,5/16,5 (începând de la bariera injectorului) unde grosimile sunt în monostraturi (ML, 1 ML = 2,825 Å) și a fost crescut prin epitaxie cu fascicul molecular, cu 221 perioade în cascadă, ducând la o grosime totală de 10 μm. modele QCL cu trei godeuri în 28, 29 cu modificări minore pentru a obține un câștig de vârf centrat în jurul unei frecvențe de 3,3 THz. n-dopaj de 5,7e15 cm −3 și înconjurat de 0,1 μm și 0,05 μm grosime straturi de contact GaA foarte dopate dopate la 5e18 cm −3 de ambele părți ale superrețelei. Un strat de Al0.50Ga0.50A grosime de 200 nm a fost crescut ca un strat etch-stop care precede întregul teanc.

Fabricarea dispozitivului

Cu - Ghidurile de undă metalice pe bază de Cu au fost fabricate utilizând tehnica standard de lipire a plăcilor termocompresive. În urma lipirii napolitane și îndepărtării substratului, litografia cu rezistență pozitivă a fost utilizată pentru gravarea selectivă a stratului GaAs foarte dopat cu grosime de 0,1 μm din aproape toate locațiile în care ar exista placări metalice superioare pe cavități individuale prin H2SO4: H2O2: H2O etchant în 1: 8:80 concentrație. Un strat GaAs foarte dopat cu o lățime de 10 µm, sub placarea metalică superioară, a fost lăsat neatins la regiunile apropiate atât fațetelor longitudinale, cât și laterale, servind ca limită de absorbție longitudinală și laterală pentru a asigura excitația modului dorit ca lasare cu cea mai mică pierdere. modul descris în ref. 27. O secvență de Ti/Cu/Au au fost depuse ca straturi metalice superioare (20/200/100 nm), în care a fost implementată o litografie de inversare a imaginii pentru a forma grătare metalice. Cavitățile de creastă DFB au fost apoi procesate prin gravare umedă folosind H2SO4: H2O2: H2O etchant în concentrație 1: 8: 80. Un contact Ti/Cu/Au (20/250/100 nm) a fost, de asemenea, utilizat ca contact din spate-metal pentru chipsurile QCL fabricate în cele din urmă pentru a ajuta la lipire. Înainte de depunerea metalului posterior al napolitanului, substratul a fost lustruit mecanic până la o grosime de 250 μm pentru a îmbunătăți scufundarea termică.

Caracterizare experimentală

În timpul măsurătorilor de lumină - curent - tensiune, a fost ales un impuls de 300 ns cu ciclu de semnal de 100 kHz (ciclu de funcționare de 3,0%) pentru a conduce dispozitivele prezentate în această lucrare pe o etapă rece a unui răcitor Stirling (care operează la

62 K). În aceleași condiții, puterea absolută a fost calibrată folosind un contor de putere termopil (numărul modelului: Scientech AC2500 cu AC25H), așa cum este raportat fără corecții la semnalul detectat. Nu a fost utilizată nicio optică de focalizare în acest proces, cu excepția unei ferestre de polietilenă de înaltă densitate pe criocooler. Spectrele raportate au fost măsurate folosind un spectrometru cu infraroșu transformat Fourier (BRUKER; VERTEX 70 v) prin acționarea dispozitivelor la 100 kHz cu o durată a impulsului de 300 ns (ciclu de funcționare de 3,0%). Modelele de fascicule cu câmp îndepărtat au fost măsurate cu un detector piroelectric montat pe o etapă de scanare motorizată 2D, care a fost plasată la 40 cm de laserele DFB, cu un unghi maxim de scanare ± 26,5 ° în ambele direcții. Dispozitivele au funcționat în apropierea puterii de vârf operate la 100 kHz cu o durată de impuls de 300 ns și modulată electronic cu trenuri de impulsuri la 1000 Hz (1,5% ciclu de funcționare).

Disponibilitatea datelor

Toate datele relevante legate de simularea numerică, rezultatele experimentale vor fi păstrate cu Sushil Kumar de la Universitatea Lehigh, seturile de date sunt accesibile prin intermediul autorului corespunzător.