Anormale modusovergangen in krachtige gedistribueerde Bragg-reflector Quantum Cascade-lasers

Resultaten en discussie

De spectra van apparaten zijn getest door een Fourier-transformatie-infraroodspectrometer met een resolutie van 0,125 cm ⁻¹ . De vermogens-stroom-spanning (P-I-V) kenmerken van de apparaten werden getest door een gekalibreerde thermozuildetector. De laser was gemonteerd op een houder met daarin een thermistor gecombineerd met een thermo-elektrische koeler om de temperatuur van de submontage te bewaken en aan te passen. Het uitgestraalde optische vermogen werd gemeten met de gekalibreerde thermozuildetector die zonder enige correctie voor het laserfacet was geplaatst.

Figuur 2a toont de continue golf (CW) emissiespectra van DBR-laser bij verschillende koellichaamtemperaturen van 20 °C tot 70 °C met een stap van 2 °C met injectiestromen van 1,005I_th . Figuur 2b toont de curve van het golfgetal versus de temperatuur van de laser, en de inzet toont een laserspectrum van 24 °C per logaritmische coördinaat, waarbij de zijmodusonderdrukkingsverhouding (SMSR) ongeveer 25 dB is. In conventionele single-mode DFB QCL's verschuiven de golflengten naar langere golflengten, lineair met de toename van temperatuur of stroom [14, 15]. Zoals echter is gezien in figuur 2, wordt een afwijkend afstemmingsgedrag waargenomen, waarbij de modus naar kortere golflengten springt wanneer de temperatuur stijgt.

een De emissiespectra van laser veranderen met de temperatuur. b Het golfgetal versus de temperatuurcurve van de laser. De inzet toont het laserspectrum van 24 °C per logaritmische coördinaat

Om het optreden van de afwijkende modus-hops kwalitatief te verklaren, moeten we eerst het mechanisme van single-mode op het DBR QCL-apparaat analyseren, dat duidelijk wordt weergegeven in Fig. 3. Afbeelding 3a geeft de gemeten waferversterkingscurve aan en berekende de reflectie curve van Bragg-rooster gebaseerd op de transfermatrixmethode van MATLAB, waarbij de reflectiviteit van 1,5 mm lang DBR-rooster ongeveer 98% is. Om het gemakkelijk te begrijpen, tonen we het schematische diagram van het modusselectiemechanisme van DBR QCL, waar de versterkingscurve, de reflectiecurve van Bragg-rooster, toegestane longitudinale modi die voldoen aan de fasevoorwaarde in de DBR QCL-holte worden weergegeven, en hun verschuiving geven kenmerken met de temperatuurstijging in figuur 3b verder. Welke longitudinale modus kan de lasermodus zijn van deze longitudinale modi? Het moet aan twee voorwaarden voldoen, ten eerste moet het zich binnen de Bragg-reflectiepiek bevinden. Een andere voorwaarde is dat het product van de waarde van versterking en reflectiviteit maximaal moet zijn [9]. Bovendien gaan de versterkingscurve, de reflectiecurve en de longitudinale modispectra allemaal naar een langere golflengte met de toename van de temperatuur. Vervolgens hebben we de curve van de versterkingspiek gemeten en aangepast aan de verandering van temperatuur om de bewegingssnelheid van − 0,581 cm ⁻¹ te bereiken K ⁻¹ . De Bragg-reflectiepiek met de temperatuurstijging is ongeveer − 0.128 cm ⁻¹ K ⁻¹ volgens onze groep eerder gerapporteerd resultaat bij vergelijkbaar golfbereik [16]. Dat wil zeggen dat de Bragg-reflectiepiek altijd aan de kortere golflengtezijde van de versterkingspiek blijft naarmate de temperatuur stijgt. De beweging van de longitudinale modi spectra als de temperatuurstijging wordt voornamelijk toegeschreven aan de modale brekingsindex die groeit met de temperatuurstijging, waarvan de bewegingssnelheid vergelijkbaar is met de bewegingssnelheid van Bragg-reflectiepiek met de temperatuurstijging kleiner dan de bewegingssnelheid van winst hoogtepunt. De temperatuur van het versterkingsgebied is echter iets hoger dan dat van het DBR-gebied vanwege het warmte-effect dat wordt veroorzaakt door dragerinjectie. Als gevolg hiervan kunnen de longitudinale modi-spectra iets sneller bewegen dan de Bragg-piek met de toename van de temperatuur. We nummeren de drie longitudinale modi als a, b en c binnen de Bragg-piek in Fig. 3b. In het begin was de modus a de lasermodus en de modus a zou lineair afstemmen en verschuiven naar een langere golflengte met de toename van de temperatuur. De lasermodus zou worden vervangen door modus b wanneer de modus a van het centrum van de Bragg-curve verschoof en het product van de waarde van versterking en reflectiviteit niet langer maximaal was vanwege de iets snellere bewegingssnelheid van longitudinale modi-spectra. Vervolgens herhaalde de modus b het proces van modus a, enzovoort. Dus het fenomeen van abnormale modus hop in Fig. 2 wordt waargenomen. Voor het verifiëren van de modus hop is tussen longitudinale modi. Vervolgens hebben we de longitudinale modusafstand berekend, die relatief is ten opzichte van de gehele effectieve holtelengte van het apparaat. De gehele effectieve lengte van de holte van DBR QCL is de som van de effectieve lengte van de DBR-sectie, de lengte van de versterkingssectie en de lengte van de isolatieopening. De definitie van effectieve DBR-lengte is dat de fase relatief lineair varieert in de buurt van het reflectiemaximum. Een dergelijke reflectie kan goed worden benaderd door een discrete spiegelreflectie gelijk aan de grootte van de reflectie van het rooster, maar op een afstand L geplaatst _eff weg zoals getoond in Fig. 4a. Dat wil zeggen, de functie van het hele DBR-rooster wordt vervangen door een reflectiespiegel, die equivalent is aan een passieve golfgeleider. De effectieve DBR-lengte van de fysieke DBR-roosterlengte kan worden berekend op basis van de volgende vergelijkingen [17]:

waarbij κ de koppelingscoëfficiënt van het rooster is en L _DBR is de fysieke roosterlengte, \( \Delta \overline{\mathrm{n}} \) is het effectieve brekingsindexverschil van rooster, \( \overline{\mathrm{n}} \) is de gemiddelde effectieve brekingsindex van rooster, en Λ is de periode van roosteren. Figuur 4b toont de effectieve lengte van het DBR-gebied versus de fysieke DBR-roosterlengte, wat aangeeft dat de effectieve DBR-lengte bijna niet meer veranderde wanneer de fysieke DRB-roosterlengte groter was dan 1,5 mm. De effectieve DBR-lengte van een fysieke DBR-roosterlengte van 1,5 mm is ongeveer 0,291 mm. Als resultaat is de theoretische longitudinale modusafstand ongeveer 0,328 cm ⁻¹ . Het hop-interval in de experimentele afwijkende modus is ongeveer 0,12 cm ⁻¹ getoond in Fig. 2. De gemiddelde lineaire afstemmingskarakteristiek van lasermodus met temperatuur is ongeveer 0,103 cm ⁻¹ K ⁻¹ voordat abnormale hops in elke modus plaatsvinden. De corresponderende modusafstand is dus 0,326 cm ⁻¹ , wat bijna overeenkomt met het berekende resultaat van 0,328 cm ⁻¹ met de fout van − 0,002 cm ⁻¹ .

een De gemeten waferversterkingscurve en berekende de reflectiecurve van Bragg-rooster op basis van de transfermatrixmethode door MATLAB. b Het schematische diagram van het modusselectiemechanisme van DBR QCL

een Het schematische diagram van de definitie van een effectieve spiegel voor een DBR-rooster. b De effectieve DBR-lengte versus de fysieke roosterlengte

Figuur 5a toont de emissiespectra die veranderen met injectiestroom, het bovenste paneel van figuur 5b toont de curve van het golfgetal versus de temperatuur van het apparaat, en het onderste paneel van figuur 5b is de CW P–I-curve van de laser. Het vergelijkbare fenomeen van abnormale modus-hops wordt ook waargenomen met de toename van de injectiestroom in Fig. 5, en de duidelijke discontinuïteit wordt gezien in de PI-curve wanneer de modus-hops plaatsvinden, wat niet kan gebeuren in conventionele single-mode DFB QCL's behalve voor occasionele modus hop tussen de twee zij-modus van stop-band. De versterkingspiek zou altijd naar een langere golflengte verschuiven met de toename van de injectiestroom als gevolg van het warmte-effect. We hebben de versterkingscurve van de wafer gemeten die verandert met de stroom bij CW-conditie, en de curve van de versterkingspiek aangepast aan de verandering van de stroom om de bewegingssnelheid van − 0,021 cm ⁻¹ te verkrijgen mA ⁻¹ . Omdat het stroominjectievenster net boven het versterkingsgebied werd geopend en het bestaan ​​van een isolatiespleet, is de invloed van warmteoverspraak veroorzaakt door stroominjectie op de DBR-sectie zwak. Dus de Bragg reflectiecurve verandert bijna niet met de injectiestroom. Het spectrum van de longitudinale modi beweegt ook iets naar een langere golflengte als gevolg van de verandering van de modale effectieve brekingsindex veroorzaakt door het warmte-effect. Vandaar dat het vergelijkbare fenomeen van abnormale modus-hop wordt waargenomen wanneer de injectiestroom stijgt. Het eerste spronginterval in afwijkende modus is ongeveer 0,904 cm ⁻¹ getoond in Fig. 5, waar de modushop kruiste naar drie longitudinale modi. De tweede modussprong is tussen aangrenzende longitudinale modi met een interval van 0,301 cm ⁻¹ . De gemiddelde lineaire afstemmingskarakteristiek van de lasermodus met injectiestroom is ongeveer − 0,003 cm ⁻¹ mA ⁻¹ voordat elke afwijkende modus hop gebeurt. Dus de corresponderende modusafstand is ongeveer 0,331 cm ⁻¹ , wat ook bijna consistent is met het berekende resultaat van 0,328 cm ⁻¹ met de fout van 0,003 cm ⁻¹ .

een Het emissiespectrum verandert met de injectiestroom. b Het bovenste paneel toont de curve van het golfgetal versus de temperatuur, en het onderste paneel is de CW-vermogen-stroom (P-I) curve van de laser

Figuur 6a toont de vergelijking van het vermogen tussen DBR-laser en Fabry-Perot (FP) laser met een holtelengte van 4 mm. Het maximale uitgangsvermogen van de FP- en DBR-laser is respectievelijk 987 mW en 656 mW bij 20 °C. Het maximale uitgangsvermogen van de DBR-laser is nog steeds 235 mW bij de temperatuur van het koellichaam van 70 °C, wat het hoogste vermogensniveau vertegenwoordigde dat tot nu toe is gerapporteerd voor alle single-mode QCL's in het langegolf-infraroodspectrumbereik. Om schade te voorkomen, werden lasers niet getest op hun maximale werkstroom. Figuur 6b geeft de optische veldverdeling weer van DBR-, FP- en DFB-lasers met dezelfde holtelengte van 6 mm op basis van de transfermatrixmethode van MATLAB. De optische veldverdeling van de DBR-laser geeft aan dat de intensiteit van het licht in het apparaat bijna constant is in de versterkingssectie, vergelijkbaar met de FP-laser, terwijl deze sterk afneemt in de DBR-sectie, wat in het voordeel is van de krachtextractie, niet zoals DFB-laser , waarvan de lichtintensiteit een piek bereikt in het midden van het apparaat en snel vervalt naar de twee uiteinden als gevolg van het overgekoppelde mechanisme, als resultaat is de meeste lichtintensiteit beperkt in het midden van het apparaat. De gekoppelde sterkte van de DFB-laser is recht evenredig met de lengte van de holte. Dus DFB-laser is niet geschikt om te worden gesplitst in een apparaat met een lange holtelengte. Dientengevolge wordt het andere prominente voordeel van de DBR-laser gepresenteerd dat deze kan worden gefabriceerd in een apparaat met een lange holtelengte voor het verkrijgen van een hoog uitgangsvermogen. Dus de DBR-structuur is een soort potentiële methode om een ​​hoog vermogen en single-mode emissie te bereiken.

een De rode curve is de CW-vermogen-stroom-voltage (P-I-V) curve van de DBR-laser, de zwarte curve is de CW-vermogen-stroom-voltage (P-I-V) curve van de Fabry-Perot (FP) resonator holte. b De gesimuleerde optische veldverdeling van DBR-, FP- en DFB-lasers met dezelfde holtelengte van 6 mm