Потужний поверхнево-випромінюючий терагерцовий лазер з гібридними решітками Брегга другого та четвертого порядку
Предмети
Виправлення видавця до цієї статті було опубліковано 14 травня 2018 року
Ця стаття оновлена
Анотація
Лазер з розподіленим зворотним зв'язком (DFB) з решітками другого порядку, як правило, збуджує антисиметричний режим, що має низьку ефективність випромінювання та дволопатевий промінь далекого поля. Ефективність випромінювання можна було б збільшити, використовуючи криволінійні та чірчані решітки для інфрачервоних діодних лазерів, вибір режиму за допомогою плазмону для середньо-інфрачервоних квантових каскадних лазерів (ККЛ) та градуйовані фотонні структури для терагерцових ККЛ. Тут ми демонструємо нову схему гібридної решітки, яка використовує суперпозицію решіток Брегга другого та четвертого порядку, які збуджують симетричний режим із набагато більшою ефективністю випромінювання. Схема реалізована для терагерцових ККЛ з металевими хвилеводами. Пікова вихідна потужність 170 мВт з ефективністю нахилу 993 мВт A −1 виявляється при сильному одномодовому однолопатевому випромінюванні для КГЧ 3,4 ТГц, що працює при 62 К. Схема гібридної решітки, можливо, простіша у реалізації, ніж вищезгадана DFB схем і може бути використаний для збільшення вихідної потужності для лазерів DFB, що випромінюють поверхню, на будь-якій довжині хвилі.
Вступ
Тут ми описуємо нову схему підвищення випромінювальної ефективності для поверхнево випромінювальних QBL DFB в металевих порожнинах, що досягає рекордно високої вихідної потужності для одномодових терагерцових ККЛ. Реалізовано рекордно високий коефіцієнт корисної дії, який більше ніж у чотири рази перевищує цей показник. 9, а також значно вищий, ніж у терагерцових ККЛ з одноплазмоновими хвилеводами, які нещодавно досягли вихідної потужності 24, 25 .
Результати
Концепція
Періодичне збурення в оптичному хвилеводі призводить до дифракції Брегга аж до декількох вищих порядків, які можуть бути використані для з'єднання хвиль, що розповсюджуються в хвилеводі, для встановлення DFB. Наступне рівняння описує відношення збереження імпульсу між хвильовими векторами падаючої керованої хвилі всередині порожнини ki ≈ 2π/λwg = 2πneff /λ (де λwg - довжина хвилі всередині хвилеводу, λ - довжина хвилі вільного простору, і eff - ефективний показник поширення) та показник дифрагованої хвилі kd, який може знаходитися зовні або всередині порожнини під будь-яким кутом θd (як визначено відносно нормалі поверхні). Це також схематично представлено на рис. 1а.
тут Λ - період решітки, 2π/Λ - хвильовий вектор решітки, і є цілим числом ( = 1,2,3…), що визначає порядок дифракції. З цього рівняння можна зробити висновок, що a -структура решітки го порядку, де - парне число, причини / Дифракція 2-го порядку має відбуватися в напрямку нормалі поверхні.
Впровадження гібридної схеми DFB для терагерцових ККЛ
0,08 ТГц у показаному моделюванні, що пов’язано з тим, що більша частка неосвітлюваного поля поширюється поза активним середовищем, що знижує ефективний індекс поширення eff керованих хвиль.
Порівняння гібридного DFB та DFB другого порядку для терагерцових ККЛ. a Ілюстрація металевої порожнини для терагерцових ККЛ, в якій прорізи відкриваються у верхній металевій обшивці для реалізації періодичної решітки 18. Решітка четвертого порядку накладається зі зміщенням довжини d до вихідної решітки другого порядку з періодичністю Λ реалізувати гібридну структуру решітки, як на рис. 1в. Спектр режиму для порожнини довжиною 1,4 мм і нескінченно широкої з DFB-решітками (Λ = 27 мкм, ширина щілини
3 мкм), обчислений методом скінченних елементів моделювання. Випромінювальні поверхневі втрати для різних резонансних режимів для порожнини з решітками другого порядку нанесені червоним кольором (тонкі лінії), а для порожнини з гібридними решітками (d/Λ = 3/8) синім кольором (товсті лінії). Вставки показують профілі електричного поля для нижнього та верхнього режимів крайової смуги відповідно фотонної смугової структури для кожного типу решіток (кольорова смужка, показана на цьому малюнку, застосовується до всіх графіків профілів електричного поля). Випромінювальні втрати ефективно визначаються амплітудою та фазою площинного електричного поля (Е х ) у щілинах
Для симетричного режиму, збудженого у випадку гібридного DFB, з певним d/Λ = 3/8, eff близький до
3.2 згідно з рівнянням (1), це відносно низька eff обумовлений встановленням сильного поверхневого поля плазмонного поляритону (SPP), яке поширюється на вершині активної області, як показано на рис. 2b. На відміну від цього, антисиметричний режим має більший eff
3.45, що означає більшу частку резонансного режиму, що знаходиться всередині активного середовища.
Міркування щодо проектування та порівняння з подвійною щілинною структурою DFB другого порядку. a Обчислені поверхневі втрати смугових режимів для гібридної DFB-структури, показані на рис. 2а, побудовані як функція d/Λ. Відстань діафрагми d є конструктивним параметром, який може бути використаний для зміни відповідних втрат, а також пропускної здатності, яка також побудована на графіку. Поверхневі втрати та зазори також побудовані як функція відстані апертур для подвійної щілинної структури DFB другого порядку (тобто дві щілини є в кожному періоді решітки при періодичності Λ), який раніше використовувався для терагерцових ККК 26. Профілі електричного поля поблизу центру порожнин для обох смугових режимів побудовані для випадку d/Λ = 0,4 як приклад
Результати експерименту
Експериментальні результати від репрезентативних терагерцових ККЛ SE, реалізованих з гібридними решітками DFB в імпульсному режимі роботи і встановлених всередині охолоджувача Стірлінга, показані на рис. 4. Зображення сканованого електронного мікроскопа (SEM) виготовленого та змонтованого чіпа QCL на рис. кілька QCL різних розмірів, розташованих поруч. Результати, представлені тут, отримані з ККЛ розміром 10 × 200 мкм × 1,5 мм. Вибір довжини порожнини робиться на основі оцінки міцності зчеплення DFB і описаний у додатковій примітці 1 та додатковій примітці 2, де показано модельований профіль щільності енергії вздовж довжини порожнини для обраної довжини на додатковому малюнку 1. Гібридна DFB-решітка у вигляді щілин виконана у верхній металевій облицюванні. На малюнку 4b показано світло-струм (L-Я) криві в залежності від температури радіатора, струму-напруги (Я-V), крива при 62 K, а також спектри як функція зміщення при 62 K. QCL випромінює в одномодовому режимі при будь-яких умовах зміщення при