Matrices laser à cascade quantique coniques intégrées aux cavités Talbot

Contexte

Le laser à cascade quantique (QCL), inventé en 1994, a été l'une des sources de lumière les plus importantes dans l'infrarouge moyen et lointain pour sa flexibilité de longueur d'onde et sa portabilité [1,2,3]. Les applications populaires des QCL ont couvert de nombreux domaines tels que la communication optique en espace libre et la contre-mesure infrarouge dirigée (DRICM), la détection de traces chimiques d'explosifs, de toxines, de polluants et les tests médicaux [4,5,6,7]. Certaines applications exigent toujours une puissance lumineuse élevée pour un meilleur effet de brouillage et une meilleure précision de détection. Des QCL de haute puissance peuvent être obtenus en élargissant la largeur de la zone de région active. Cependant, un simple élargissement de la crête sans conception technique de guide d'ondes ou optique externe détériorera la qualité du faisceau des QCL avec une émission de diagramme de champ lointain à lobes multiples [8]. L'émission monolobe est obtenue dans le passé avec des méthodes telles que les QCL à rétroaction distribuée sur cristal photonique (PCDFB), les QCL à cavité angulaire, les QCL à amplificateur de puissance maître-oscillateur et les QCL à large zone via des mécanismes de rétroaction externes [9,10,11 ,12]. Récemment, les réseaux à verrouillage de phase ont été des approches populaires pour maintenir l'émission de QCL à large arête avec des motifs de faisceau étroits cohérents.

Les réseaux à verrouillage de phase ont été habilement appliqués dans les lasers à semi-conducteurs à large arête et à faible divergence depuis les années 1980 [13]. Dans des travaux antérieurs, les réseaux QCL à verrouillage de phase ont été étudiés dans les réseaux à jonction Y, les réseaux résonnants couplés à des ondes de fuite et les réseaux couplés à des ondes évanescentes, comme le laser proche infrarouge l'a fait dans le passé [14,15,16 ,17,18]. Ces structures entraînent soit des pertes importantes dans le guide d'onde [15], soit une accumulation de chaleur en poursuivant une courte distance adjacente pour obtenir le couplage [16,17,18]. Récemment, des réseaux QCL couplés par diffraction qui intégraient une cavité latérale basée sur des effets Talbot couplés par diffraction ont été rapportés [19]. Dans la structure couplée par diffraction, le couplage se produit dans la cavité Talbot par la diffraction de l'extrémité de la crête et la réflexion de la facette de la cavité. Les éléments du réseau QCL à verrouillage de phase couplés par diffraction peuvent être placés pour un espace large, ce qui réduira l'accumulation de chaleur.

L'effet Talbot est un phénomène optique bien connu selon lequel une structure périodique peut produire des images de soi à certaines distances régulières [20]. Cet effet a été exploité pour les lasers à verrouillage de phase dans le proche infrarouge, qui est appelé réseau à verrouillage de phase à schéma de couplage de diffraction [21,22,23]. Dans cette méthode, un miroir plat doit être placé devant la facette de la cavité du réseau laser pour fournir une rétroaction optique. La longueur entre le miroir et la facette du réseau est ce qu'on appelle la distance de Talbot, qui est définie comme

où n est l'indice de réfraction du matériau, d est la distance centre à centre du tableau, et λ est la longueur d'onde en espace libre. Les supermodes qui sont réfléchis dans les canaux du réseau obtiendront l'oscillation auto-reproductrice. La figure 1 montre la distribution du supermode fondamental et du supermode d'ordre élevé dans une distance de Talbot fractionnaire. Une fois les supermodes dans le Z _t La position /4 est reflétée dans les canaux du tableau, la superposition et le fonctionnement fondamentaux du supermode seront extraits.

Distribution fondamentale et d'ordre supérieur des supermodes dans les plans fractionnaires de Talbot. Les ovales bleus correspondent aux supermodes fondamentaux et les ovales bruns correspondent aux supermodes d'ordre supérieur

La puissance de sortie des réseaux QCL à verrouillage de phase à cavité Talbot est limitée en raison d'un faible rendement couplé entre la cavité Talbot et les canaux du réseau. Pour augmenter encore la puissance de sortie des matrices QCL à cavité Talbot, le facteur de remplissage (rapport de la largeur de la crête à la période) doit être augmenté. En revanche, l'élargissement de la largeur du canal entraînera une émission de mode d'ordre élevé des éléments du réseau. La réduction de la distance centre à centre augmentera l'accumulation de chaleur. La structure conique est l'une des meilleures méthodes pour augmenter le facteur de remplissage tout en assurant un fonctionnement en mode fondamental de la seule arête elle-même. Dans cette lettre, les structures coniques sont exploitées et les cavités Talbot sont respectivement intégrées d'un côté des structures coniques. Les appareils à extrémité droite connectés à la cavité Talbot présentent un fonctionnement fondamental en supermode avec une divergence de champ lointain limitée par diffraction proche (D.L.) de 2,7°. En revanche, les dispositifs à extrémité conique connectés à la cavité Talbot présentent un fonctionnement en supermode d'ordre élevé quelle que soit la longueur de la cavité Talbot. Une puissance crête maximale de 1,3 W est obtenue pour les appareils à extrémité droite connectés à la cavité Talbot avec une densité de courant seuil de 3,7 kA/cm ² et une efficacité de pente de 0,6 W/A à 298 K.

Méthodes

La plaquette QCL a été cultivée sur une plaque dopée n (Si, 2 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ ) Plaquette de substrat InP par épitaxie par faisceau moléculaire à source solide (MBE). La structure de la région active (AR) se compose de 35 périodes de In_0.67 compensé en déformation Ga_0.33 As/In_0.37 Al_0.63 Comme des puits quantiques et des barrières. L'ensemble de la structure de la plaquette avant la fabrication est une couche de gaine InP inférieure de 4 m (Si, 3 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ ), 0,3 μm d'épaisseur n-In_0,53 Ga_0.47 Comme couche (Si, 4 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ ), 35 étages actifs/injecteurs, 0,3 μm d'épaisseur n-In_0,53 Ga_0.47 Comme couche (Si, 4 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ ), couche de gaine supérieure InP 2,6 μm (Si, 3 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ ), 0,15 μm InP couche dopée progressivement (passant de 1 × 10 ¹⁷ à 3 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ ), et une couche de gaine en InP hautement dopée de 0,4 µm (Si, 5 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ ).

Après l'épitaxie en MBE, les dispositifs ont été gravés par la méthode de gravure chimique humide puis déposés à 450 nm de SiO₂ avec dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD). Après ouverture de la fenêtre d'injection électrique, le contact métallique supérieur s'est formé. Les deux sections de la cavité Talbot et du réseau conique sont connectées électriquement via le contact supérieur Au. Ensuite, le substrat de plaquette a été aminci et les contacts métalliques de contact inférieurs ont été évaporés. La plaquette a été clivée en environ 2 mm de long avec une scie à découper pour contrôler avec précision la longueur de la cavité Talbot. Enfin, les appareils ont été soudés côté épicouche vers le bas sur le dissipateur thermique en cuivre avec une soudure à l'indium. Étant donné que la section de la cavité Talbot est injectée électriquement, la chaleur s'accumulera pour sa grande dimension, ce qui devrait être évité en utilisant l'isolation électrique dans les travaux futurs. La section de cavité Talbot peut probablement être remplacée par un autre matériau de guide d'ondes en employant la fabrication compliquée telle que la liaison et l'alignement de plaquettes, et l'opération à verrouillage de phase peut toujours être réalisée. D'après la distribution des supermodes de la cavité de Talbot sur la figure 1, la longueur de notre cavité de Talbot a été déterminée à Z _t /8 similaire à réf. [19] qui est d'environ 104 m dans cette lettre. La figure 2 montre le croquis et les images au microscope de l'appareil. Les matrices contiennent cinq éléments coniques et une cavité Talbot. L'élément conique se compose d'une extrémité conique de 1 mm de long et d'une extrémité droite d'environ 0,9 mm de long avec une largeur variant de 10 à 16 m. L'espacement centre à centre entre les éléments adjacents du réseau est de 25 µm et la longueur de chaque dispositif laser est d'environ 2 mm. La longueur de la cavité Talbot dans cet article est d'environ 104 m.

un Croquis de l'élément conique dans les tableaux ; le schéma 3D des tableaux avec b extrémité droite connectée à la cavité Talbot et c extrémité conique connectée à la cavité Talbot, correspondant aux images au microscope de la facette avant de d et e

Résultats et discussion

Selon la théorie des modes couplés, le nombre de supermodes dans un réseau à verrouillage de phase est le même que le nombre d'éléments [24]. Par exemple, un tableau à verrouillage de phase avec cinq éléments aura les cinq supermodes. En supposant uniquement le couplage adjacent entre les éléments du réseau dans la cavité de Talbot, le modèle de distribution de champ proche du supermode d'ordre différent peut être obtenu avec la matrice couplée [24]. L'intensité du champ proche changeant en fonction de la dimension latérale du réseau peut être démontrée par [25] :

où j est l'ordre du supermode, M est le nombre d'éléments du tableau, ω est la taille du faisceau de Gauss dans chaque élément, et x _m est l'emplacement central de chaque élément. Les résultats de simulation de différents supermodes d'ordre sont présentés sur la figure 3a. Les modèles de champ lointain correspondants peuvent être déduits avec la transformée de Fourier de la distribution de champ proche, comme le montre la figure 3b.

un Modèles de champ proche calculés du N =  supermodes d'ordre 1, 3, 5 dans un réseau couplé par diffraction à cinq éléments. Le supermode fondamental (N = 1) est calculé sur la base de l'extrémité droite connectée à la cavité de Talbot, et des supermodes d'ordre élevé (N = 3, 5) sont basés sur le cône connecté à la cavité Talbot. b Les modèles de champ lointain simulés selon a . c La distribution mesurée en champ lointain du réseau QCL avec une extrémité droite connectée à une cavité Talbot. d La distribution de champ lointain mesurée du réseau QCL avec une extrémité conique connectée à une cavité Talbot

Les diagrammes de champ lointain des réseaux à verrouillage de phase à cavité Talbot ont été mesurés à partir de la facette du guide d'ondes du réseau en utilisant la technique de verrouillage avec un détecteur de mercure-cadmium-tellurure (MCT) à température ambiante. Le réseau QCL monté sur une platine rotative a été placé à ~ 25 cm du détecteur MCT et contrôlé par un logiciel maison pour la collecte de données. Les diagrammes de champ lointain mesurés des réseaux de cavités Talbot sont illustrés sur les figures 3c, d, correspondant à l'extrémité droite connectée au dispositif à cavité Talbot et à l'extrémité conique connectée au dispositif à cavité Talbot. Les distributions en champ lointain de la figure 3c montrent de forts lobes centraux à 0°, indiquant l'existence d'un fonctionnement fondamental des supermodes selon la théorie des modes de couple. La largeur totale du demi-maximum (FWHM) est d'environ 2,7°, ce qui montre un angle de divergence limité par la diffraction (D.L.) selon le D.L. formule :sin θ = 1.22λ /d , où θ est le D.L. angle, λ est la longueur d'onde, et d est la largeur de sortie de lumière du réseau. Pour un émetteur unique conique avec une largeur de sortie lumineuse de 16 m, le D.L. La divergence FWHM est d'environ 21°. Les lobes latéraux apparaissent autour de ~ 12° qui sont très proches de l'emplacement FWHM de l'enveloppe de champ lointain de l'émetteur unique. Les intensités du lobe central et des lobes latéraux correspondent à la distribution du diagramme de champ lointain à émetteur unique. Ainsi, les lobes latéraux ont la moitié de l'intensité du lobe central. En outre, un réseau de profils de champ lointain à un seul lobe peut être obtenu en augmentant la largeur de la crête pour diminuer la divergence des éléments du réseau. La largeur de crête plus large peut être obtenue en élargissant le cône. Les diagrammes de champ lointain de la figure 3d n'ont pas de lobe au centre de la position 0°, mais sont principalement à double lobe, montrant le fonctionnement des supermodes d'ordre supérieur, qui correspondent au supermode à trois ordres de la figure 3b. Afin d'obtenir le fonctionnement fondamental du supermode, nous avons fabriqué les dispositifs avec différentes longueurs de cavité Talbot de 90 à 110 m avec un pas de 1 m. Malheureusement, le fonctionnement fondamental du supermode dans le dispositif avec une extrémité conique connectée à la cavité Talbot ne peut pas être obtenu quelle que soit la longueur de la cavité Talbot.

Les résultats en champ lointain de deux types de matrices peuvent être expliqués avec le modèle théorique de la réf. [19, 21]. La cavité Talbot peut être approchée comme un miroir réfléchissant avec une réflectivité équivalente différente pour différents supermodes; la réflectivité équivalente élevée signifie une efficacité de gain élevée et un gain de seuil bas. Le calcul et la simulation de la réflectivité équivalente sont similaires à la réf. [19]. La figure 4 montre les résultats de simulation de réflectivité équivalente pour différents supermodes d'ordre changeant en fonction de la longueur de la cavité Talbot. Depuis le N = 2, les supermodes d'ordre 4 dans les réseaux à verrouillage de phase ont toujours une perte de guide d'ondes plus importante que N = 1, 3, 5 supermodes d'ordre, ils sont ici négligés dans la simulation. Pour l'extrémité droite connectée aux réseaux de cavités Talbot, le supermode fondamental a la réflectivité équivalente la plus élevée et une grande discrimination par rapport aux supermodes d'ordre élevé autour de Z _t /8. Pour l'extrémité conique connectée à la cavité de Talbot, la discrimination entre le supermode fondamental et le supermode d'ordre élevé est relativement faible. Dans ce cas, le laser a tendance à fonctionner avec des supermodes de trois ordres en raison de la faible discrimination des modes dans l'extrémité conique connectée au dispositif de cavité Talbot.

L'intensité de réflectivité équivalente théorique de la cavité Talbot change en fonction de la longueur de la cavité Talbot pour N =supermodes d'ordre 1, 3 et 5 d'un réseau QCL de cavité Talbot à cinq éléments, la partie supérieure montre l'extrémité droite connectée à la cavité Talbot et la partie inférieure montre l'extrémité conique connectée à la cavité Talbot

La puissance optique émise a été mesurée avec un détecteur à thermopile calibré placé directement devant la facette du guide d'onde laser. Les mesures du spectre ont été effectuées à l'aide d'un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) avec 0,25 cm ⁻¹ résolution en mode de balayage rapide. La figure 5a montre la caractéristique puissance-courant (P-I) en mode pulsé avec un pilote de courant maintenu à 2 kHz avec un rapport cyclique de 0,2 %. Pour le dispositif avec extrémité droite connecté au réseau QCL de cavité Talbot, une puissance crête totale de 1,3 W est obtenue à 298 K avec une densité de courant de seuil de 3,7 kA/cm ² et une efficacité de pente de 0,6 W/A, correspondant à une puissance de sortie de 1,6 W avec une densité de courant seuil de 3,4 kA/cm ² et une efficacité de pente de 0,65 W/A pour le réseau à extrémité conique, comme indiqué sur la ligne bleue et la ligne violette. En revanche, le dispositif laser unique avec une crête de 2 mm de long × 10 μm de large affiche une puissance de crête maximale de 0,41 W, une densité de courant seuil de 3 kA/cm ² , et une efficacité de pente de 1 W/A. La puissance de sortie des réseaux avec le fonctionnement fondamental est trois fois celle d'un seul émetteur. Pour présenter plus brièvement les résultats testés, les caractéristiques de sortie de trois appareils sont résumées dans le tableau 1. La puissance de sortie moyenne de chaque élément est d'environ 63% de l'émetteur unique, ce qui est supérieur à celui de la réf. [19]. Réf. [26] rapporte un réseau QCL à verrouillage de phase avec un filtre Talbot intra-cavité avec la puissance moyenne d'un élément de réseau individuel égale à 43% d'un seul émetteur. L'efficacité est inférieure à celle des dispositifs à une jonction entre la cavité Talbot et les éléments du réseau en raison de la perte optique supplémentaire dans les deux jonctions circulaires causée par la méthode de gravure humide. Réf. [27] rapporte un dispositif à six éléments intégré à une cavité Talbot avec une puissance de sortie cinq fois supérieure à un seul émetteur avec une efficacité de couplage d'environ 83 %. L'efficacité plus faible de nos dispositifs est probablement due à des pertes de diffraction de bord plus importantes dans la cavité Talbot et à la fabrication avec la méthode de gravure humide. Les travaux suivants devraient adopter la méthode de gravure sèche et augmenter la longueur de la zone conique pour obtenir une mise à l'échelle de puissance supplémentaire. L'encart de la figure 4a montre le spectre laser des réseaux à verrouillage de phase à température ambiante et 1,3 I _ème . La longueur d'onde centrale a été mesurée à 4,8 m avec une nature multimode résultant de l'absence d'un mécanisme de sélection de mode longitudinal. Le spectre monomode peut être obtenu en introduisant un réseau à rétroaction distribuée (DFB) sur la couche de revêtement supérieure. Les caractéristiques thermiques des QCL larges et des tableaux QCL sont simulées avec le logiciel d'éléments finis COMSOL. La largeur de crête fixe est fixée à 10 m et l'espacement des éléments du réseau change de 0 à 20 m à un pas de 5 m. La figure 5b montre l'évolution de la température de l'AR en fonction de l'espace intermédiaire des éléments. La température de l'AR dans le dispositif à large crête est d'environ 20 K supérieure à celle du dispositif à cavité Talbot.

un Variation de la puissance de crête totale en fonction du courant d'injection à 298 K pour une extrémité droite (ligne bleue)/une extrémité conique (ligne violette) connectée au réseau QCL à cavité Talbot et à un réseau de 2 mm de long × 10-μm de large laser unique (ligne verte). Tous les appareils n'ont pas de revêtement des deux côtés de la cavité. Le driver actuel est maintenu à 2 kHz avec un rapport cyclique de 0,2%. L'encart est le spectre laser des réseaux à extrémités droites à 1,3 fois le courant de seuil, qui a culminé à environ 4,8 m. b La température de la région active du réseau QCL change en fonction de l'espacement des éléments du réseau. La largeur de crête des éléments du tableau est fixée à 10 m, et l'espace intermédiaire passe de 0 à 20 m avec un pas de 5 m

Conclusion

En conclusion, nous avons démontré les matrices QCL coniques intégrées aux cavités Talbot dans les extrémités droites et coniques respectivement. Les appareils avec la cavité Talbot intégrée à l'extrémité droite montrent des modèles de champ lointain en mode fondamental avec un D.L. divergence de 2,7° à une longueur d'onde d'émission de 4,8 µm. Une puissance de sortie de 1,3 W est obtenue pour le réseau à extrémité droite avec une efficacité de pente de 0,6 W/A. Étant donné que le réseau à verrouillage de phase à cavité Talbot ne nécessite pas une distance de couplage très étroite, l'accumulation de chaleur est inférieure à celle des réseaux à couplage d'ondes évanescentes. De tels dispositifs ont un potentiel pour des matrices QCL à haute luminosité de fonctionnement à cycle d'utilisation élevé avec D.L. divergence. Les travaux futurs devraient se concentrer sur la sélection d'une largeur de crête et d'un espacement appropriés pour les éléments de réseau, l'utilisation de guides d'ondes à crête enterrés et la gestion thermique avec des refroidisseurs à micro-impact [28]. De plus, le nombre de cascades réduit de l'AR contribuera grandement au fonctionnement à cycle de service élevé des QCL à haute luminosité [29].

Abréviations

AR :

Région active

CW :

Onde continue

D.L. :

Diffraction limitée

DFB :

Commentaires distribués

FWHM :

Pleine largeur de moitié maximum

Je _ème :

Courant de seuil

MBE :

Epitaxie par faisceau moléculaire

MCT :

Mercure-cadmium-tellurure

MOVPE :

Epitaxie en phase vapeur organique métallique

PECVD :

Dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma

P-I :

Puissance-courant

QCL :

Laser à cascade quantique

WPE :

Efficacité de la prise murale