Ongebruikelijke Korte-golflengte Mode Sprongen in Hoog-vermogen DBR Quantum Cascade Lasers

Samenvatting

We rapporteren onverwachte korte-golflengte mode sprongen in distributed Bragg reflector (DBR) quantum cascade lasers (QCLs) emitterend nabij 7,6 µm. Twee-sectie apparaten—winst en ongepumpte Bragg sectie—leveren >0,6 W CW output bij kamertemperatuur. In tegenstelling tot de conventionele lange-golflengte drift met stijgende temperatuur of injectiestroom, springt de lasermode occasional naar een kortere golflengte. Modale analyse toont aan dat temperatuur-geïnduceerde brekingsindexveranderingen de longitudinale modi sneller verschuiven dan de Bragg-piek, wat de waargenomen overgangen verklaart.

Inleiding

Quantum cascade lasers verschillen van conventionele halfgeleiderlasers door te opereren op inter-subband overgangen binnen het geleidingsband, wat mid- tot ver-infrarood emissie mogelijk maakt. Hun brede spectrale dekking maakt ze onmisbaar voor gasdetectie, hoge-resolutie spectroscopie, en industriële monitoring. Toepassingen vereisen echter vaak een smalle lijnbreedte en hoge outputvermogen. Distributed feedback (DFB) en externe caviteit (EC) QCLs leveren typisch single-mode operatie maar zijn beperkt tot ~100 mW output en smalle afstembereiken. Een distributed Bragg reflector (DBR) QCL biedt een compact platform voor hoog-vermogen, single-mode emissie, doch gedetailleerd spectraal gedrag is onvoldoende verkend. Hier presenteren we DBR QCLs en onderzoeken anomale mode hopping in diepte.

Methoden

De DBR rooster werd gedefinieerd via dubbele-bundel holografische interferometrie. Het apparaat bestaat uit een winstsectie (L_G), een DBR sectie (L_DBR), en een stroom-isolatie groef. De QCL kern werd gegroeid op n-InP door vaste-stof MBE, gebruikmakend van 50 spanning-gecompenseerde In₀,₅₈Ga₀,₄₂As/In₀,₄₇Al₀,₅₃As quantum wells (zie diktevolgorde in bron). Een 100-nm SiO₂ laag werd gedeponeerd bovenop de bovenste insluitingslaag; het DBR gebied werd geëtst tot een diepte van ~130 nm, gevolgd door SiO₂ verwijdering. De bovenste golfgeleider werd hergegroeid door MOVPE, wat een 3 µm bovenste InP insluitingslaag, een 0,15 µm gegraafde-gedote InP laag, en een 0,85 µm hoog gedote InP contactlaag opleverde. De wafer werd verwerkt tot een dubbele-kanaal rug golfgeleider (kern breedte ≈10 µm) met halfgeleidende InP:Fe voor thermische en elektrische isolatie. Een 200-µm stroom-isolatie groef (diepte 1,1 µm) scheidde de winst- en DBR-secties. Na SiO₂ isolatie, werden Ti/Au contacten gedeponeerd en een 5-µm Au laag geëlektroplated voor warmteafvoer. Apparaten (6 mm lang) werden gekleefd tot 4,3 mm winst, 1,5 mm DBR, en 0,2 mm isolatie regio's, dan gesoldeerd epilaag-zijde naar beneden op een diamant warmtezak en koperen montuur.

Resultaten en Discussie

Emissiespectra werden opgenomen met een Fourier transformatie infrarood spectrometer (0,125 cm⁻¹ resolutie). P-I-V kenmerken werden gemeten met een gecalibreerde thermopile detector. De laser werd gemonteerd op een houder uitgerust met een thermistor en thermoelektrische koeler om de sub-montagetemperatuur te controleren. Figuur 2a toont de CW spectra bij 1,005 I_th terwijl de warmtezak temperatuur gevarieerd werd van 20 °C tot 70 °C in 2 °C stappen. De inset van Figuur 2b plot het 24 °C spectrum op een logaritmische schaal, onthullend een side-mode suppression ratio (SMSR) van ≈25 dB. In tegenstelling tot conventionele DFB QCLs, die lineair verschuiven naar langere golflengtes met temperatuur of stroom, vertonen onze DBR apparaten anomale korte-golflengte mode sprongen als de temperatuur stijgt. Om dit te verklaren, onderzochten we het mode-selectie mechanisme. Figuur 3a toont de gemeten wafer winstkromme en de berekende Bragg reflectieprofiel (98% reflectiviteit voor een 1,5-mm rooster). Het schematisch in Figuur 3b toont hoe de winst, Bragg-piek, en longitudinale modi verschuiven met temperatuur. De winstpiek verschuift met −0,581 cm⁻¹ K⁻¹, terwijl de Bragg-piek verschuift met −0,128 cm⁻¹ K⁻¹. Omdat de Bragg-piek op de kortere-golflengte kant van de winst blijft, bewegen de longitudinale modi, die de brekingsindexverandering volgen, uiteindelijk sneller dan de Bragg-piek, wat een mode sprong naar de volgende beschikbare longitudinale mode dwingt. Dit verklaart de waargenomen anomale sprongen. De longitudinale modusafstand werd berekend uit de effectieve caviteitslengte: L_eff = (1/2κ) tanh(κL_DBR), waar κ = (1/Λ)(Δn̄/n̄). Voor een 1,5-mm fysieke DBR, L_eff ≈0,291 mm, wat een theoretische afstand van 0,328 cm⁻¹ oplevert, in uitstekende overeenstemming met de experimentele 0,12 cm⁻¹ intervallen waargenomen. Figuur 5 illustreert hetzelfde fenomeen met toenemende injectiestroom. De eerste anomale sprong beslaat 0,904 cm⁻¹ (drie modi kruisend), gevolgd door een 0,301 cm⁻¹ sprong. De P-I kromme toont duidelijke discontinuïteiten bij elke sprong, een gedrag afwezig in standaard DFB QCLs. Figuur 6 vergelijkt de DBR laser met een 4 mm Fabry-Perot (FP) laser. De FP bereikt 987 mW, terwijl de DBR 656 mW bereikt bij 20 °C en 235 mW bij 70 °C, het hoogst gerapporteerde single-mode vermogen voor lange-golf IR QCLs. Gesimuleerde optische veldverdelingen (Figuur 6b) onthullen dat de DBR hoge intensiteit in de winstsectie handhaaft terwijl het snel afneemt in de DBR, wat lange-caviteit operatie zonder over-koppeling toestaat—een voordeel ten opzichte van DFB lasers.

Conclusies

We hebben hoog-vermogen DBR QCLs gedemonstreerd met >0,6 W CW output bij kamertemperatuur. Gedetailleerde analyse van anomale korte-golflengte mode sprongen biedt inzicht in de mode-selectiedynamica van DBR apparaten. De DBR architectuur maakt lange-caviteit, single-mode operatie met superieure vermogenextractie mogelijk, wat het positioneert als een veelbelovend platform voor hoog-vermogen mid-infrarood lasertoepassingen.