Tapered Quantum Cascade Laser Arrays geïntegreerd met Talbot Cavities

Resultaten en discussie

Volgens de theorie van de gekoppelde modus is het aantal supermodes in een phase-locked array hetzelfde als het aantal elementen [24]. Een phase-locked array met vijf elementen heeft bijvoorbeeld de vijf supermodes. Uitgaande van alleen de aangrenzende koppeling tussen de array-elementen in de Talbot-holte, kan het near-field distributiepatroon van de supermode van verschillende orde worden verkregen met de gekoppelde matrix [24]. De verandering van de sterkte van het nabije veld als functie van de laterale dimensie van het array kan worden gedemonstreerd als [25]:

waar j is de volgorde van supermode, M is het aantal array-elementen, ω is de taille van de Gauss-straal in elk element, en x _m is de centrale locatie van elk element. De simulatieresultaten van verschillende orde supermodes worden getoond in figuur 3a. De corresponderende far-field-patronen kunnen worden afgeleid met de Fourier-transformatie uit de near-field-verdeling, zoals weergegeven in figuur 3b.

een Berekende nabij-veldpatronen van de N =-1, 3, 5 orde supermodes in een vijf-elementen diffractie-gekoppelde array. De fundamentele supermodus (N = 1) wordt berekend op basis van het rechte uiteinde dat is verbonden met de Talbot-holte en de supermodes van hoge orde (N = 3, 5) zijn gebaseerd op tapsheid verbonden met de Talbot-holte. b De gesimuleerde far-field-patronen volgens a . c De gemeten far-field-distributie van QCL-array met recht uiteinde verbonden met een Talbot-holte. d De gemeten far-field-distributie van QCL-array met taps uiteinde verbonden met een Talbot-holte

De far-field patronen van de Talbot-cadmium-fasevergrendelde arrays werden gemeten vanaf het array-golfgeleiderfacet met behulp van de lock-in-techniek met een kwik-cadmium-telluride (MCT) -detector op kamertemperatuur. De QCL-array gemonteerd op een rotatieplatform werd ~  25 cm verwijderd van de MCT-detector en bestuurd door een zelfgebouwde software voor het verzamelen van gegevens. De gemeten far-field-patronen van Talbot-holte-arrays worden getoond in Fig. 3c, d, overeenkomend met het rechte uiteinde dat is verbonden met het Talbot-holteapparaat en het tapse uiteinde dat is verbonden met het Talbot-holteapparaat. De far-field-verdelingen in Fig. 3c tonen sterke centrale lobben bij 0 °, wat wijst op het bestaan ​​van fundamentele supermoduswerking volgens de theorie van de koppelmodus. De volledige breedte van half maximum (FWHM) is ongeveer 2,7°, wat een diffractie-beperkte (D.L.) divergentiehoek vertoont volgens de D.L. formule:sin θ = 1.22λ /d , waar θ is de DL hoek, λ is golflengte, en d is de lichtopbrengstbreedte van de array. Voor een taps toelopende enkele emitter met een lichtopbrengstbreedte van 16 m is de D.L. De FWHM-divergentie is ongeveer 21°. De zijlobben verschijnen rond ~ -12 °, die zeer dicht bij de FWHM-locatie van de far-field-envelop met enkele emitter liggen. De intensiteiten van de centrale lob en zijlobben komen overeen met de verdeling van het verre-veldpatroon met een enkele emitter. De zijlobben hebben dus de helft van de intensiteit van de centrale lob. Verder kan een enkellobbige far-field-profielarray worden verkregen door de nokbreedte te vergroten om de divergentie van array-elementen te verminderen. De bredere nokbreedte kan worden bereikt door de taper te verbreden. De far-field-patronen in figuur 3d hebben geen lob in het midden van de 0 ° -positie, maar zijn voornamelijk dubbellobbig, wat de werking van supermodes van hogere orde laat zien, die overeenkomen met de supermode van drie orde in figuur 3b. Om de fundamentele supermode-operatie te verkrijgen, hebben we de apparaten gefabriceerd met de verschillende Talbot-holtelengtes van 90 tot 110 m met stappen van 1 m. Helaas kan de fundamentele supermode-operatie in het apparaat met het tapse uiteinde dat is verbonden met de Talbot-holte niet worden verkregen, ongeacht de lengte van de Talbot-holte.

De resultaten van het verre veld van twee type arrays kunnen worden verklaard met het theoretische model in ref. [19, 21]. De Talbot-holte kan worden benaderd als een reflecterende spiegel met verschillende equivalente reflectiviteit voor verschillende supermodes; de hoge equivalente reflectiviteit betekent een hoge versterkingsefficiëntie en een lage drempelversterking. De berekening en simulatie van de equivalente reflectiviteit zijn vergelijkbaar met de ref. [19]. Figuur 4 toont de simulatieresultaten van equivalente reflectiviteit voor supermodes van verschillende orde die veranderen als een functie van de lengte van de Talbot-holte. Sinds de N = 2, 4-orde supermodes in phase-locked arrays hebben altijd een groter golfgeleiderverlies dan N =-1, 3, 5 orde supermodes, ze worden hier in de simulatie verwaarloosd. Voor het rechte uiteinde dat is verbonden met Talbot-caviteitarrays, heeft de fundamentele supermodus de hoogste equivalente reflectiviteit en grote discriminatie vergeleken met de supermodi van hoge orde rond Z _t /8. Voor het taps toelopende uiteinde dat is verbonden met de Talbot-holte, is het onderscheid tussen de fundamentele supermodus en de supermodus van hoge orde relatief klein. In dit geval heeft de laser de neiging om te werken met drie-orde supermodes vanwege de zwakke mode-discriminatie in het taps toelopende uiteinde dat is verbonden met het Talbot-holteapparaat.

Theoretische equivalente reflectiviteitsintensiteit van de Talbot-holte verandert als functie van de Talbot-holtelengte voor N =-1, 3, 5 orde supermodes van een Talbot-caviteit QCL-array met vijf elementen, de bovenste toont het rechte uiteinde dat is verbonden met de Talbot-holte en de onderste toont het tapse uiteinde dat is verbonden met de Talbot-holte

Het uitgezonden optische vermogen werd gemeten met een gekalibreerde thermozuildetector die direct voor het facet van de lasergolfgeleider was geplaatst. De spectrummetingen zijn uitgevoerd met een Fourier-transformatie-infraroodspectrometer (FTIR) met 0,25 cm ⁻¹ resolutie in de snelle scanmodus. Figuur 5a toont de vermogensstroomkarakteristiek (P-I) in de gepulseerde modus met de huidige driver die op 2 kHz wordt gehouden met een inschakelduur van 0,2%. Voor het apparaat met straight-end aangesloten op de Talbot-caviteit QCL-array, wordt een totaal piekvermogen van 1,3 W verkregen bij 298 K met een drempelstroomdichtheid van 3,7 kA/cm ² en een hellingsrendement van 0,6 W/A, wat overeenkomt met 1,6 W uitgangsvermogen met een drempelstroomdichtheid van 3,4 kA/cm ² en een hellingsrendement van 0,65 W/A voor de taper-end array zoals weergegeven in blauwe lijn en paarse lijn. Als contrast vertoont het enkele laserapparaat met een 2 mm lange × 10-μm brede rand een maximaal piekvermogen van 0,41 W, een drempelstroomdichtheid van 3 kA/cm ² , en een hellingsrendement van 1 W/A. Het uitgangsvermogen van de arrays met de fundamentele bewerking is drie keer die van een enkele emitter. Om de geteste resultaten beknopter weer te geven, zijn de uitgangskarakteristieken van drie apparaten samengevat in Tabel 1. Het gemiddelde uitgangsvermogen van elk element is ongeveer 63% van de enkele emitter, wat hoger is dan dat in ref. [19]. ref. [26] meldt een fasevergrendelde QCL-array met een Talbot-filter in de holte met het gemiddelde vermogen van een afzonderlijk array-element gelijk aan 43% van een enkele emitter. De efficiëntie is lager dan de apparaten met één verbinding tussen de Talbot-holte en de array-elementen vanwege extra optisch verlies in de twee cirkelvormige verbindingen veroorzaakt door de natte etsmethode. ref. [27] meldt een apparaat met zes elementen geïntegreerd met een Talbot-holte met vijf keer uitgangsvermogen van een enkele zender met een koppelingsefficiëntie van ongeveer 83%. De lagere efficiëntie in onze apparaten is hoogstwaarschijnlijk te wijten aan sterkere randdiffractieverliezen in de Talbot-holte en de fabricage met natte etsmethode. Het volgende werk zou de droge etsmethode moeten gebruiken en de lengte van de taperzone moeten vergroten om verdere vermogensschaling te verkrijgen. De inzet van Fig. 4a toont het laserspectrum van de phase-locked arrays bij kamertemperatuur en 1,3 I _de . De centrale golflengte werd gemeten als 4,8 m met een multimode-karakter als gevolg van het ontbreken van een longitudinaal-mode selectiemechanisme. Het single-mode spectrum kan worden bereikt door een rooster met gedistribueerde feedback (DFB) op de bovenste bekledingslaag te introduceren. De thermische eigenschappen van brede QCL's en QCL-arrays worden gesimuleerd met de eindige-elementensoftware COMSOL. De vaste nokbreedte is ingesteld op 10 m en de tussenruimte van de array-elementen verandert van 0 tot 20 m in een stap van 5 m. Figuur 5b toont de temperatuur van AR die verandert als functie van de tussenruimte van het element. De temperatuur van AR in het brede randapparaat is ongeveer 20 K hoger dan die in het Talbot-holteapparaat.

een Totale verandering in piekvermogen als functie van de injectiestroom bij 298 K voor recht uiteinde (blauwe lijn)/taper uiteinde (paarse lijn) verbonden met de Talbot-caviteit QCL-array en een 2 mm lang × 10-μm breed enkele laser (groene lijn). Alle apparaten hebben geen coating aan beide zijden van de holte. De huidige driver wordt op 2 kHz gehouden met een duty circle van 0,2%. De inzet is het laserspectrum van de straight-end arrays bij 1,3 keer de drempelstroom, met een piek rond 4,8 m. b De temperatuur van het actieve gebied van de QCL-array verandert als een functie van de tussenruimte van array-elementen. De nokbreedte van de array-elementen is vast ingesteld op 10 m en de tussenruimte verandert van 0 in 20 m met een stap van 5 μm