Fabrication industrielle
Internet des objets industriel | Matériaux industriels | Entretien et réparation d'équipement | Programmation industrielle |
home  MfgRobots >> Fabrication industrielle >  >> Industrial materials >> Nanomatériaux

Transitions de mode anormales dans les lasers à cascade quantique à réflecteur Bragg distribué haute puissance

Résumé

Dans cet article, des données spectrales anormales de lasers à cascade quantique (QCL) à réflecteur de Bragg distribué (DBR) émettant autour de 7,6  μm sont présentées. Les lasers DBR à deux sections, constitués d'une section de gain et d'un réflecteur de Bragg non pompé, affichent une puissance de sortie supérieure à 0,6 W en mode onde continue (CW) à température ambiante. Les données spectrales anormales sont définies comme un mode longitudinal qui se déplace vers des longueurs d'onde plus courtes avec une température ou un courant d'injection croissants, ce qui est inattendu. Bien que l'on s'attend à ce que les modes de longueur d'onde plus longue commencent à produire un effet laser lors de l'augmentation de la température du dispositif ou du courant d'injection, des sauts de mode occasionnels vers une longueur d'onde plus courte sont observés. Ces transitions de mode anormales sont expliquées au moyen d'une analyse modale. Le changement induit par la chaleur de l'indice de réfraction impliqué par une augmentation de la température ou du courant d'injection produit des transitions presque périodiques entre les modes de cavité.

Introduction

Les lasers à cascade quantique (QCL) diffèrent des lasers à semi-conducteur fondamentaux, sont une sorte de laser à semi-conducteur unipolaire, à savoir des transitions électroniques uniquement entre les états de bande de conduction [1]. Il a attiré beaucoup d'attention en raison de ses caractéristiques de grande longueur d'onde couvrant la gamme de l'infrarouge moyen/loin à la région des ondes térahertz depuis sa première démonstration expérimentale. Une région d'ondes aussi large peut répondre aux demandes croissantes des applications de détection de gaz, de spectroscopie haute résolution et de surveillance des processus industriels. Cependant, une largeur de ligne étroite et une puissance de sortie élevée sont nécessaires dans certaines applications. Les QCL à rétroaction distribuée (DFB) et les QCL à cavité externe (EC) sont les deux manières courantes d'obtenir une émission monomode [2, 3]. La puissance de sortie des DFB QCL est de l'ordre de 100 milliwatts et la plage de réglage est petite d'environ 5 cm −1 , qui convient à la détection de gaz unique [4,5,6]. Les QCL EC sont de meilleurs candidats pour la détection de plusieurs espèces de gaz car ils ont une plage de réglage beaucoup plus large [7]. Cependant, dans certaines applications, telles que la détection à distance ou la télédétection, une source lumineuse monomode haute puissance est souhaitée. Pour ces applications, un réflecteur de Bragg distribué (DBR) QCL peut être un meilleur candidat comme source laser compacte et haute puissance. Les lasers DBR ont été beaucoup étudiés sur la région d'onde proche infrarouge [8,9,10], mais son étude sur QCL est moindre, peu ont été rapportés en 2011 pour un réglage large [11], en 2014 pour une puissance élevée [12]. Cependant, les propriétés spectrales n'ont pas été étudiées en détail dans ces rapports. De plus, ce genre de sauts de mode anormal similaires ont été analysés dans des lasers à semi-conducteur DBR proche infrarouge (IR) [9, 10]. Cependant, il manque encore dans le dispositif QCL. Étant donné que les propriétés spectrales des QCL monomodes sont importantes pour les applications pratiques, toutes les propriétés anormales et inexplorées doivent être étudiées et accumulées de manière approfondie. Ici, nous démontrons les QCL DBR et étudions leurs propriétés spectrales en détail.

Méthodes

Le réseau DBR a été défini par un procédé d'interférométrie holographique à double faisceau conventionnel. La structure du dispositif conçu est illustrée à la figure 1. La section de gain et la section DBR étaient séparées par une rainure d'isolation de courant et seule la section de gain a une injection de courant. La structure QCL a été développée sur un substrat InP dopé n par épitaxie par faisceau moléculaire (MBE) à source solide avec une structure de région active similaire à Ref. [13]. La structure de noyau active présentée dans ce travail contient 50 périodes de In0,58 compensé en déformation Ga0.42 As/In0.47 Al0,53 Comme des puits quantiques. La séquence de couches spécifique d'une période est la suivante (épaisseur de couche en nanomètres) :4 /1.7/0.9 /5.06/0.9 /4.7/1 /3.9/1.8 /3.2/1.7 /2.8/1.9 /2.7 /2.8 /2.6, où In0.47 Al0,53 Comme les couches barrières sont en gras, In0,58 Ga0.42 De plus, les couches sont en couches romaines et n-dopées (1,4 × 10 17 cm −3 ) sont en italique. L'ensemble de la structure de la plaquette avant la fabrication est une couche de revêtement inférieure InP de 4,5 m (Si, 3 × 10 16 cm −3 ), 50 étages actifs/injecteurs, 0,3 μm d'épaisseur n-In0,53 Ga0.47 En couche supérieure de confinement (Si, 4 × 10 16 cm −3 ). Un SiO2 de 100 nm d'épaisseur couche a été déposée dans la couche supérieure de confinement d'InGaAs en tranche entière, puis le SiO2 de la section DBR a été retirée pour la fabrication du caillebotis. Ensuite, le réseau a été défini sur la couche supérieure de confinement d'InGaAs par interférométrie holographique à double faisceau avec une période de réseau de 1,2 µm, puis transféré par gravure chimique humide jusqu'à une profondeur d'environ 130 µm, puis le résidu SiO2 a été éliminé. Ensuite, le guide d'onde supérieur constitué d'une couche de gaine supérieure en InP de 3 μm d'épaisseur (Si, 2 × 10 16 cm −3 ), 0,15 μm couche d'InP dopé progressivement (Si, 1,5 × 10 17 cm −3 ) et une couche supérieure de contact en InP hautement dopé de 0,85 μm d'épaisseur (Si, 5 × 10 18 cm −3 ) a été repoussé par épitaxie métal-organique en phase vapeur (MOVPE).

Schéma d'un DBR QCL constitué d'une section de gain L G , une section DBR L DBR et un écart d'isolement actuel

Après la mise en œuvre de la repousse, la plaquette a été transformée en laser à guide d'ondes à double canal avec une largeur de noyau moyenne de 10 m, où les canaux ont été remplis d'InP:Fe semi-isolant à des fins de dissipation thermique et d'isolation électrique efficaces. Ensuite, une rainure d'isolement de courant de 200 μm de long entre la section de gain et la section DBR a été gravée à travers la couche supérieure d'InP hautement dopée et progressivement dopée avec une profondeur de 1,1  μm via une gravure sèche pour bloquer l'injection de courant dans la section DBR. Puis une couche isolante de 450 nm d'épaisseur SiO2 a été déposé, et la fenêtre d'injection de courant a été ouverte juste au-dessus de la section de gain. Par la suite, un contact électrique a été fourni par une couche de Ti/Au déposée par évaporation par faisceau d'électrons, et une couche d'or supplémentaire de 5 µm d'épaisseur a été électrodéposée pour améliorer encore la dissipation thermique. Après avoir été amincie à environ 120 µm, une couche de contact métallique Ge/Au/Ni/Au a été déposée du côté substrat de la plaquette. Enfin, la plaquette a été clivée en dispositifs de 6 mm de long comprenant une région de gain de 4,3 mm de long, une région de DBR de 1,5 mm de long et une rainure d'isolement de courant de 0,2 mm de long, et les dispositifs ont été soudés côté épicouche vers le bas sur la dissipateur thermique en diamant avec soudure à l'indium, qui ont ensuite été soudés sur des dissipateurs thermiques en cuivre.

Résultats et discussion

Les spectres des appareils ont été testés par un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier avec une résolution de 0,125 cm −1 . Les caractéristiques puissance-courant-tension (P-I-V) des appareils ont été testées par un détecteur à thermopile calibré. Le laser était monté sur un support contenant une thermistance combinée à un refroidisseur thermoélectrique pour surveiller et ajuster la température du sous-montage. La puissance optique émise a été mesurée avec le détecteur à thermopile calibré placé devant la facette laser sans aucune correction.

La figure 2a montre les spectres d'émission à onde continue (CW) du laser DBR à différentes températures de dissipateur thermique de 20 °C à 70 °C avec un pas de 2 °C avec des courants d'injection de 1,005Ith . La figure 2b montre la courbe du nombre d'ondes en fonction de la température du laser, et l'encart montre un spectre laser de 24 °C par coordonnées logarithmiques, où le rapport de suppression de mode latéral (SMSR) est d'environ 25 dB. Dans les QCL DFB monomodes classiques, les longueurs d'onde se déplacent vers des longueurs d'onde plus longues linéairement avec l'augmentation de la température ou du courant [14, 15]. Cependant, comme on l'a vu sur la figure 2, un comportement de réglage anormal est observé, avec des sauts de mode vers des longueurs d'onde plus courtes lorsque la température augmente.

un Le spectre d'émission du laser change avec la température. b Le nombre d'onde en fonction de la courbe de température du laser. L'encart montre un spectre laser de 24 °C par coordonnée logarithmique

Pour expliquer qualitativement l'apparition des sauts de mode anormaux, nous devons d'abord analyser le mécanisme du mode unique au niveau du dispositif DBR QCL, qui est clairement illustré sur la figure 3. La figure 3a indique la courbe de gain de plaquette mesurée et a calculé la réflexion courbe du réseau de Bragg basée sur la méthode de la matrice de transfert de MATLAB, où la réflectivité du réseau DBR de 1,5 mm de long est d'environ 98%. Pour comprendre facilement, nous affichons le schéma du mécanisme de sélection de mode du DBR QCL, où la courbe de gain, la courbe de réflexion du réseau de Bragg, les modes longitudinaux autorisés qui satisfont la condition de phase dans la cavité DBR QCL sont affichés, et donnent leur décalage caractéristiques avec l'augmentation de la température sur la figure 3b en outre. Quel mode longitudinal peut être le mode laser parmi ces modes longitudinaux ? Il doit remplir deux conditions, d'abord il doit se situer dans le pic de réflexion de Bragg. Une autre condition est que son produit de la valeur du gain et de la réflectivité soit maximum [9]. De plus, la courbe de gain, la courbe de réflexion et les spectres des modes longitudinaux se déplacent tous vers des longueurs d'onde plus longues avec l'augmentation de la température. Ensuite, nous avons mesuré et ajusté la courbe du pic de gain avec le changement de température pour atteindre la vitesse de déplacement de − 0,581 cm −1 K −1 . Le pic de réflexion de Bragg avec l'augmentation de la température est d'environ − 0.128 cm −1 K −1 selon notre groupe précédemment rapporté des résultats à une gamme d'ondes similaire [16]. C'est-à-dire que le pic de réflexion de Bragg reste toujours du côté de la longueur d'onde la plus courte du pic de gain lorsque la température augmente. Le mouvement du spectre des modes longitudinaux à mesure que l'augmentation de la température est principalement attribué à l'indice de réfraction modal qui augmente avec l'augmentation de la température, dont la vitesse de déplacement est similaire à la vitesse de déplacement du pic de réflexion de Bragg avec l'augmentation de la température inférieure à la vitesse de déplacement du gain. Pic. Cependant, la température de la région de gain est légèrement supérieure à celle de la région DBR en raison de l'effet thermique provoqué par l'injection de porteurs. En conséquence, les spectres des modes longitudinaux peuvent se déplacer légèrement plus rapidement que le pic de Bragg avec l'augmentation de la température. Nous numérotons les trois modes longitudinaux comme a, b et c dans le pic de Bragg sur la figure 3b. Au début, le mode a était le mode laser, et le mode a s'accordait linéairement et se déplaçait vers une longueur d'onde plus longue avec l'augmentation de la température. Le mode laser serait remplacé par le mode b lorsque le mode a s'éloignait du centre de la courbe de Bragg et que son produit de la valeur du gain et de la réflectivité n'était plus maximal en raison de la vitesse de déplacement légèrement plus rapide des spectres de modes longitudinaux. Ensuite, le mode b a répété le processus du mode a, et ainsi de suite. Ainsi, le phénomène de sauts de modes anormaux de la figure 2 est observé. Pour vérifier que le saut de mode est entre les modes longitudinaux. Ensuite, nous avons calculé l'espacement des modes longitudinal, qui est relatif à toute la longueur effective de la cavité du dispositif. La longueur effective totale de la cavité du DBR QCL est la somme de la longueur effective de la section DBR, de la longueur de la section de gain et de la longueur de l'espace d'isolement. La définition de la longueur DBR effective est que la phase varie de manière relativement linéaire près du maximum de réflexion. Une telle réflexion peut être bien approchée par une réflexion miroir discrète égale à la magnitude de la réflexion du réseau, mais placée à une distance L eff comme indiqué sur la Fig. 4a. C'est-à-dire que la fonction de réseau DBR entier est remplacée par un miroir de réflexion, ce qui équivaut à un guide d'onde passif. La longueur DBR effective de la longueur de réseau DBR physique peut être calculée sur la base des équations suivantes [17] :

$$ {L}_{\mathrm{eff}}=\frac{1}{2\upkappa}\tanh \left({\upkappa \mathrm{L}}_{\mathrm{DBR}}\right) $ $ (1) $$ \upkappa =\frac{1}{\Lambda}\frac{\Delta \overline{\mathrm{n}}}{\overline{\mathrm{n}}} $$ (2)

où est le coefficient de couplage du réseau et L DBR est la longueur du réseau physique, \( \Delta \overline{\mathrm{n}} \) est la différence d'indice de réfraction effectif du réseau, \( \overline{\mathrm{n}} \) est l'indice de réfraction effectif moyen de réseau, et est la période du réseau. La figure 4b montre la longueur effective de la région DBR par rapport à la longueur du réseau DBR physique, ce qui indique que la longueur DBR effective n'a presque plus changé lorsque la longueur du réseau DRB physique était supérieure à 1,5 mm. La longueur DBR effective de la longueur de réseau DBR physique de 1,5 mm est d'environ 0,291  mm. En conséquence, l'espacement théorique des modes longitudinaux est d'environ 0,328 cm −1 . L'intervalle de sauts en mode anormal expérimental est d'environ 0,12 cm −1 illustré à la Fig. 2. La caractéristique d'accord linéaire moyenne du mode laser avec la température est d'environ 0,103 cm −1 K −1 avant que chaque mode anormal ne se produise. L'espacement de mode correspondant est donc de 0,326 cm −1 , ce qui est presque cohérent avec le résultat calculé de 0,328 cm −1 avec l'erreur de − 0.002 cm −1 .

un La courbe de gain de plaquette mesurée et calculé la courbe de réflexion du réseau de Bragg sur la base de la méthode de la matrice de transfert de MATLAB. b Le schéma de principe du mécanisme de sélection de mode de DBR QCL

un Le schéma de principe de définition d'un miroir effectif pour un réseau DBR. b La longueur DBR effective par rapport à la longueur du réseau physique

La figure 5a montre les spectres d'émission changeant avec le courant d'injection, le panneau supérieur de la figure 5b montre le nombre d'ondes en fonction de la courbe de température de l'appareil et le panneau inférieur de la figure 5b est la courbe CW P–I du laser. Le phénomène similaire de sauts de mode anormaux est également observé avec l'augmentation du courant d'injection sur la figure 5, et la discontinuité évidente est observée dans la courbe P–I lorsque les sauts de mode se produisent, ce qui ne peut pas se produire dans les QCL DFB monomodes classiques, sauf pour saut de mode occasionnel entre les deux modes latéraux de la bande d'arrêt. Le pic de gain se déplacerait toujours vers une longueur d'onde plus longue avec l'augmentation du courant d'injection en raison de l'effet de la chaleur. Nous avons mesuré la courbe de gain de la plaquette changeant avec le courant à la condition CW, et ajusté la courbe du pic de gain avec le changement de courant pour obtenir la vitesse de déplacement de − 0.021 cm −1 mA −1 . Étant donné que la fenêtre d'injection de courant a été ouverte juste au-dessus de la région de gain et de l'existence d'un espace d'isolement, l'influence de la diaphonie thermique causée par l'injection de courant sur la section DBR est faible. Ainsi, la courbe de réflexion de Bragg ne change presque pas avec le courant d'injection. Le spectre des modes longitudinaux se déplace également légèrement vers la longueur d'onde plus longue en raison du changement d'indice de réfraction effectif modal causé par l'effet de la chaleur. Par conséquent, le phénomène similaire de sauts de mode anormal est observé lors de l'augmentation du courant d'injection. Le premier intervalle de saut de mode anormal est d'environ 0,904 cm −1 illustré à la figure 5, où le saut de mode est passé à trois modes longitudinaux. Le deuxième saut de mode est entre les modes longitudinaux voisins avec l'intervalle de 0,301 cm −1 . La caractéristique d'accord linéaire moyenne du mode laser avec courant d'injection est d'environ − 0,003 cm −1 mA −1 avant que chaque saut de mode anormal ne se produise. L'espacement des modes correspondant est donc d'environ 0,331 cm −1 , ce qui est également presque cohérent avec le résultat calculé de 0,328 cm −1 avec l'erreur de 0,003 cm −1 .

un Le spectre d'émission change avec le courant d'injection. b Le panneau supérieur montre le nombre d'onde par rapport à la courbe de température, et le panneau inférieur est la courbe puissance-courant (P-I) CW du laser

La figure 6a montre la comparaison de puissance entre le laser DBR et le laser Fabry-Perot (FP) avec une longueur de cavité de 4 mm. La puissance de sortie maximale des lasers FP et DBR est de 987 mW et 656 mW à 20 °C, respectivement. La puissance de sortie maximale du laser DBR est toujours de 235 mW à la température du dissipateur thermique de 70 °C, ce qui représente le niveau de puissance le plus élevé signalé jusqu'à présent pour tous les QCL monomodes dans la gamme du spectre infrarouge à ondes longues. Pour éviter les dommages, les lasers n'ont pas été testés à leur courant de fonctionnement maximal. La figure 6b affiche la distribution du champ optique des lasers DBR, FP et DFB avec la même longueur de cavité de 6 mm sur la base de la méthode de matrice de transfert de MATLAB. La distribution du champ optique du laser DBR indique que l'intensité de la lumière dans l'appareil est presque constante dans la section de gain similaire au laser FP alors qu'elle diminue fortement dans la section DBR, ce qui est en faveur de l'extraction de puissance contrairement au laser DFB , dont l'intensité lumineuse culmine au centre de l'appareil et décroît rapidement vers les deux facettes d'extrémité en raison du mécanisme de surcouplage, en conséquence, la plupart de l'intensité lumineuse est limitée au centre de l'appareil. La force couplée du laser DFB est directement proportionnelle à la longueur de la cavité. Le laser DFB n'est donc pas adapté pour être clivé dans un dispositif à cavité longue. En conséquence, l'autre avantage important du laser DBR est qu'il peut être fabriqué dans un dispositif à cavité longue pour obtenir une puissance de sortie élevée. La structure DBR est donc une sorte de méthode potentielle pour obtenir une puissance élevée et une émission monomode.

un La courbe rouge est la courbe CW puissance-courant-tension (P-I-V) du laser DBR, la courbe noire est la courbe CW puissance-courant-tension (P-I-V) du résonateur Fabry-Perot (FP) cavité. b La distribution de champ optique simulée des lasers DBR, FP et DFB avec la même longueur de cavité de 6 mm

Conclusions

En résumé, nous avons démontré des QCL DBR avec une puissance de sortie élevée. Les caractéristiques des sauts de mode ont été analysées en détail, où cette recherche est utile pour des applications pratiques. La puissance de sortie CW maximale est de 656 mW à 20 °C pour l'appareil avec une région de gain de 4,3 mm de long. À partir de la comparaison de la distribution du champ optique et de nos résultats analysés, nous concluons que le DBR est une méthode potentielle et efficace pour les QCL pour obtenir une puissance de sortie élevée et une émission monomode.

Disponibilité des données et des matériaux

Toutes les données sont entièrement disponibles sans restriction.

Abréviations

CW :

Onde continue

DBR :

Réflecteur de Bragg distribué

DFB :

Commentaires distribués

CE :

Cavité externe

FP :

Fabry-Pérot

MBE :

Epitaxie par faisceau moléculaire

MOVPE :

Epitaxie en phase vapeur organique métallique

P–I–V :

Puissance-courant-tension

QCL :

Laser à cascade quantique

SMSR :

Taux de suppression de mode latéral


Nanomatériaux

  1. Jusqu'à quelle puissance pouvez-vous baisser ?
  2. Le capteur d'image est doté d'une faible consommation et d'une fréquence d'images élevée
  3. Capteur de température numérique à haute précision et faible consommation
  4. Les capteurs de température offrent une haute précision et une faible consommation d'énergie
  5. Circuit d'arrêt Raspberry Pi avec mode veille
  6. Nanogénérateur
  7. Équipe de robotique de l'école secondaire Plastics Parts Power en Pennsylvanie
  8. Comment l'informatique quantique propulsera l'avenir de la logistique
  9. Résoudre les problèmes de panne d'alimentation haute tension