Laag energieverbruik Substraat-emitterende DFB Quantum Cascade Lasers

Resultaten en discussie

Het COMSOL-simulatieresultaat wordt weergegeven als Fig. 1b. Volgens de berekening is een koppelingscoëfficiënt van |κ| = 35,5 ~ 10,75 cm ^− 1 wordt verkregen voor het begraven rooster met een inschakelduur van 0,35 ~ 0,45 en een etsdiepte van 180 nm. De koppelsterkte g = |κ|L , waar L is de holtelengte van de QCL. Om een ​​efficiënte oppervlakte-emissie te verkrijgen, is altijd een koppelingssterkte van 1-2 vereist. Voor een apparaat met een holtelengte van 1 en 0,5 mm ligt de gesimuleerde koppelingssterkte in het bereik van 3,55 ~ 1,07 en 1,78 ~ 0,54 wanneer de inschakelduur 0,35 ~ 0,45 is. Daarom is het ontwerp van het begraven rooster zeer essentieel voor apparaten met een korte holtelengte.

Van bijzonder belang is de elektrische karakterisering. De lichtstroom-spanning (L-I-V) curve van de apparaten met verschillende holtelengte wordt weergegeven als Fig. 2. De lasers werkten in de CW-modus en de temperatuur van het koellichaam werd geregeld door een temperatuurregelaar (Thorlabs, ITC-QCL-4000). Zoals weergegeven in figuur 2a, vertoont het apparaat met 1 mm lange holte een drempelstroom van 65 mA bij 25 °C, wat overeenkomt met een drempelstroomdichtheid van 0,54 kA/cm ^− 2 en vermogensdissipatie van 0,67 W. Het maximale optische vermogen is 8,6 mW met een geïnjecteerd elektrisch vermogen van 1,66 W, en het hellingsrendement is 0,11 W/A. Bij een hoge temperatuur van 65 °C is het maximale optische vermogen nog steeds meer dan 5 mW. Voor een apparaat met een holtelengte van 0,5 mm worden de drempelstroom en vermogensdissipatie verlaagd tot 39 mA en 0,4 W bij 15 ° C, zoals weergegeven in figuur 2b. De drempelstroomdichtheid is 0,65 kA/cm ^− 2 . Het maximale optische vermogen van 2,8 mW wordt afgeleid wanneer het geïnjecteerde elektrische vermogen 0,74 W is. Bij 25 °C wordt de drempelstroom iets verhoogd tot 41 mA, wat overeenkomt met een stroomverbruik van 0,43 W. Voor zover bekend is dit het laagste stroomverbruik van QCL's bij dezelfde temperatuur. Het maximale optische vermogen van dit apparaat is 2,4 mW met een vermogensdissipatie van 0,76 W, wat zeer geschikt is voor sommige hooggeïntegreerde sensortoepassingen. Bij 35 °C is het maximale optische vermogen ongeveer 1,9 mW. Dit apparaat kan werken bij temperaturen tot 105 °C in CW-modus, maar het uitgangsvermogen wordt klein en te moeilijk om nauwkeurig te detecteren. Vergeleken met de eerdere werken in Ref [9,10,11], is het maximale optische vermogen van ons ontwerp niet opmerkelijk vanwege de lage wall-plug-efficiëntie van het apparaat. Dit wordt inherent beperkt door de kwaliteit van de epitaxiewafel. Bovendien is de maximale efficiëntie van de pluggen van een apparaat met een holle lengte van 0,5 mm 0,32% bij kamertemperatuur, minder dan dat van een apparaat met een holle lengte van 1 mm, d.w.z. 0,5%.

De L-I-V-kenmerken van de 1 mm (a ) en 0,5 mm (b ) apparaten

De spectrakarakterisering van de lasers wordt getoond in Fig. 3. Zowel de 1 als de 0,5 mm-apparaten kunnen in de CW-modus werken zonder modussprong binnen een breed temperatuurbereik van 15 tot 105 °C. Dit is de hoogste werktemperatuur in alle QCL's met een laag stroomverbruik. Een dergelijke hoge werktemperatuur is vooral te danken aan het verminderde spiegelverlies door de HR-coating op de facetten. De temperatuurverschuivingscoëfficiënt is − 0,21 cm ^− 1 /K en − 0,19 cm ^− 1 /K, respectievelijk. Er is een klein verschil tussen de spectra-regimes van de twee apparaten bij hetzelfde temperatuurbereik, wat waarschijnlijk wordt veroorzaakt door het niet-uniforme lithografie- en etsproces van het rooster. De onderdrukkingsverhouding in de zijmodus (SMSR) van het apparaat is ongeveer 25 dB. Het goede lineaire afstemvermogen, de single-mode en de hoge bedrijfstemperatuur van deze apparaten maken ze zeer nuttig in sommige echte toepassingen, zoals het detecteren van spoorgas.

De laserspectra van de a 0,5 en b Apparaat met holtelengte van 1 mm

De far-field-distributie van een apparaat van 0,5 mm wordt weergegeven in Fig. 4. In de richting van de nokbreedte, een enkellobbig patroon met een divergentiehoek van 22,5 ^o (FWHM) wordt waargenomen, zoals weergegeven in figuur 4a. Figuur 4b toont het far-field-patroon in de richting van de holtelengte. Het far-field-patroon geeft aan dat de voorkeur uitgaat naar de anti-symmetrische modus, wat wordt veroorzaakt door de niet-uniformiteiten van handgemaakte splitsing en resterende facetreflecties [16]. Een symmetrische modus kan worden verkregen door het gebruik van gedistribueerde Bragg-reflector (DBR)-raster aan beide zijden van het DFB-rastergebied om de ongecontroleerde reflecties van gespleten facetten [17] te elimineren.

De far-field-distributie van een apparaat met een holtelengte van 0,5 mm. een , b De far-field-verdelingen in respectievelijk de nokbreedte en de holte-lengterichting