与 Talbot 腔集成的锥形量子级联激光阵列

背景

量子级联激光器 (QCL) 发明于 1994 年，因其波长灵活性和便携性而成为中远红外最重要的光源之一 [1,2,3]。 QCL 的流行应用涵盖了许多领域，例如自由空间光通信和定向红外对抗 (DRICM)、爆炸物、毒素、污染物的痕量化学传感和医学检测 [4,5,6,7]。一些应用总是需要高输出光功率以获得更好的干扰效果和检测精度。通过加宽有源区区域的宽度可以获得高功率 QCL。然而，在没有波导工程设计或外部光学器件的情况下简单地加宽脊会降低 QCL 的光束质量，并发射多瓣远场模式 [8]。过去，单瓣发射是通过光子晶体分布式反馈 (PCDFB) QCL、斜腔 QCL、主振荡器功率放大器 QCL 和大面积 QCL 等方法通过外部反馈机制获得的 [9,10,11 ,12]。近年来，锁相阵列已成为保持宽脊QCL以相干窄光束模式发射的流行方法。

自 80 年代以来，锁相阵列已被巧妙地应用于宽脊和低发散半导体激光器中 [13]。在以前的工作中，锁相 QCL 阵列已经在 Y 结阵列、谐振漏波耦合阵列和倏逝波耦合阵列中进行了研究，就像过去的近红外激光器一样 [14,15,16 ,17,18]。这些结构要么在波导中带来大的损耗 [15]，要么通过追求较短的相邻距离来获得耦合 [16,17,18] 导致热量积聚。最近，报道了基于衍射耦合 Talbot 效应集成侧腔的衍射耦合 QCL 阵列 [19]。在衍射耦合结构中，通过脊端的衍射和腔面的反射在 Talbot 腔中发生耦合。衍射耦合锁相QCL阵列元件可放置较宽的空间，减少热量积累。

Talbot 效应是一种众所周知的光学现象，即周期性结构可以在某些规则距离处产生自像 [20]。这种效应已被用于近红外锁相激光器，称为衍射耦合方案锁相阵列 [21,22,23]。在这种方法中，平面镜应放置在激光器阵列的腔面前面，以提供光学反馈。镜面与阵列面之间的长度称为Talbot距离，定义为

其中 n 是材料的折射率，d 是阵列的中心距，λ 是自由空间波长。反射到阵列通道中的超模将获得自再生振荡。图 1 显示了分数 Talbot 距离中基本超模和高阶超模的分布。一旦 Z 中的超级模式 t /4位置反映到阵列通道中，提取基本超模叠加和运算。

分数 Talbot 平面上的基本和高阶超模分布。蓝色椭圆对应基本超模，棕色椭圆对应高阶超模

由于 Talbot 腔与阵列通道之间的耦合效率低，Talbot 腔锁相 QCL 阵列的输出功率受到限制。为了进一步增加 Talbot 腔 QCL 阵列的输出功率，应增加填充因子（脊宽度与周期的比率）。然而，加宽通道宽度将产生阵列元件的高阶模式发射。减少中心到中心的距离会增加热量的积累。锥形结构是增加填充系数同时确保单脊本身基模工作的最佳方法之一。在这封信中，锥形结构被利用，Talbot 腔分别集成在锥形结构的一侧。直端连接到 Talbot 腔的器件显示出基本超模操作，其近衍射限制 (D.L.) 远场发散角为 2.7°。相比之下，具有连接到 Talbot 腔的锥形端的器件显示出无论 Talbot 腔长度是多少的高阶超模操作。在阈值电流密度为 3.7 kA/cm ² 的情况下，直端连接到 Talbot 腔的器件的最大峰值功率为 1.3 W 298 K时斜率为0.6 W/A。

方法

QCL 晶片生长在 n 掺杂 (Si, 2 × 10 ¹⁷ 厘米 ⁻³ ) InP 衬底晶片通过固体源分子束外延 (MBE)。有源区 (AR) 结构由 35 个周期的应变补偿 In0.67Ga0.33As/In0.37Al0.63As 量子阱和势垒组成。制造前的整个晶圆结构为 4 μm 下 InP 包覆层 (Si, 3 × 10 ¹⁶ 厘米 ⁻³ ), 0.3-μm 厚的 n-In0.53Ga0.47As 层 (Si, 4 × 10 ¹⁶ 厘米 ⁻³ )，35 个有源/注入器级，0.3 微米厚的 n-In0.53Ga0.47As 层（Si，4 × 10 ¹⁶ 厘米 ⁻³ ), 2.6-μm InP 上包覆层 (Si, 3 × 10 ¹⁶ 厘米 ⁻³ ), 0.15-μm InP 逐渐掺杂层 (从 1 × 10 ¹⁷ 到 3 × 10 ¹⁷ 厘米 ⁻³ ), 和 0.4-μm 高掺杂 InP 包覆层 (Si, 5 × 10 ¹⁸ 厘米 ⁻³ ).

在 MBE 中外延后，使用湿化学蚀刻方法蚀刻器件，然后使用等离子体增强化学气相沉积 (PECVD) 沉积 450 nm SiO2。打开电注入窗口后，形成顶部金属触点。 Talbot 腔和锥形阵列的两个部分通过 Au 顶部触点电连接。然后，晶片衬底被减薄并且底部接触金属接触被蒸发。使用切割锯将晶片切割成约 2 毫米长，以精确控制 Talbot 腔的长度。最后，使用铟焊料将器件外延层朝下焊接到铜散热片上。由于 Talbot 腔体部分是电注入的，因此热量会在其较宽的尺寸范围内积聚，在未来的工作中应通过采用电绝缘来避免这种情况。 Talbot腔体部分很可能可以通过晶圆键合和对准等复杂的制造用其他波导材料代替，仍然可以实现锁相操作。根据图1中Talbot腔的超模分布，我们的Talbot腔长度确定为Z t /8 类似于参考。 [19] 在这封信中约为 104 μm。图 2 显示了该设备的草图和显微镜图片。阵列包含五个锥形元件和一个 Talbot 腔。锥形元件由 1 mm 长的锥形端和 ~ 0.9 mm 长的直端组成，宽度从 10 到 16 μm。阵列中相邻元件的中心距为 25 μm，每个激光器件的长度约为 2 mm。本文中Talbot腔的长度均在104 μm左右。

一 阵列中锥形元件的草图；带有 b 的阵列的 3D 示意图 直端连接到 Talbot 腔和 c 锥形端连接到 Talbot 腔，对应于 d 的正面显微镜图像 和 e

结果与讨论

根据耦合模式理论，锁相阵列中的超模数与单元数相同[24]。例如，具有五个元件的锁相阵列将具有五个超模。假设只有Talbot腔内阵元之间的相邻耦合，利用耦合矩阵可以得到不同阶超模的近场分布图[24]。作为阵列横向尺寸的函数的近场强度变化可以证明为[25]：

其中 j 是超模的阶数，M 是数组元素的个数，ω 是每个元素中高斯光束的腰部，x 米 是每个元素的中心位置。不同阶超模的仿真结果如图 3a 所示。相应的远场模式可以通过傅里叶变换从近场分布推导出，如图3b所示。

一 计算出的 N 的近场模式 =1, 3, 5 阶超模在五元件衍射耦合阵列中。基本超模 (N =1) 是基于连接到 Talbot 腔的直端和高阶超模 (N =3, 5) 基于连接到 Talbot 腔的锥度。 b 根据a模拟的远场模式 . c 直端连接到 Talbot 腔的 QCL 阵列的实测远场分布。 d 锥端连接Talbot腔的QCL阵列远场分布实测

使用锁定技术和室温汞镉碲 (MCT) 检测器从阵列波导面测量 Talbot 腔锁相阵列的远场模式。安装在旋转台上的 QCL 阵列放置在距离 MCT 检测器约 25 cm 的位置，并由用于数据收集的自制软件控制。测得的 Talbot 腔阵列的远场图如图 3c、d 所示，对应于连接到 Talbot 腔装置的直端和连接到 Talbot 腔装置的锥形端。图 3c 中的远场分布显示了 0° 处的强中心瓣，表明根据耦合模式理论存在基本超模操作。半高全宽 (FWHM) 约为 2.7°，根据 D.L. 显示衍射极限 (D.L.) 发散角。公式：sin θ =1.22λ /d , 其中 θ 是 D.L.角度，λ 是波长，d 是阵列的光输出宽度。对于光输出宽度为 16 μm 的锥形单发射器，D.L. FWHM 发散度约为 21°。旁瓣出现在 ~ 12° 附近，非常接近单发射极远场包络的 FWHM 位置。中心瓣和旁瓣的强度与单发射极远场图的分布相对应。因此，旁瓣的强度是中心瓣的一半。此外，通过增加脊宽来减小阵元发散度，可以获得单瓣远场剖面阵列。通过加宽锥度可以实现更宽的脊宽度。图 3d 中的远场模式在中心 0°位置没有瓣，但主要是双瓣，显示了高阶超模的操作，对应于图 3b 中的三阶超模。为了获得基本的超模操作，我们制造了具有不同 Talbot 腔长度从 90 到 110 μm 步进 1 μm 的器件。不幸的是，无论Talbot腔长度如何，都无法获得锥形端连接到Talbot腔的器件中的基本超模操作。

两种阵列的远场结果可以用参考文献中的理论模型来解释。 [19, 21]。 Talbot 腔可以近似为一个反射镜，对于不同的超模具有不同的等效反射率；高等效反射率意味着高增益效率和低阈值增益。等效反射率的计算和模拟与参考文献类似。 [19]。图 4 显示了作为 Talbot 腔长度函数变化的不同阶超模等效反射率的仿真结果。由于 N =2, 锁相阵列中的 4 阶超模总是比 N 具有更大的波导损耗 =1, 3, 5阶超模，这里在模拟中忽略它们。对于连接到 Talbot 腔阵列的直端，与 Z 附近的高阶超模相比，基本超模具有最高的等效反射率和较大的分辨力 t /8。对于连接到 Talbot 腔的锥形端，基本超模和高阶超模之间的区别相对较小。在这种情况下，由于与 Talbot 腔装置相连的锥形端的模式辨别力较弱，激光器倾向于以三阶超模工作。

Talbot 腔的理论等效反射强度随 N 的 Talbot 腔长度而变化 =1, 3, 5阶五元Talbot腔QCL阵列超模，上图为连接Talbot腔的直端，下图为连接Talbot腔的锥形端

发射的光功率是用一个校准的热电堆检测器测量的，该检测器直接放置在激光波导面的前面。光谱测量使用具有 0.25 cm ^-1 的傅里叶变换红外 (FTIR) 光谱仪进行 快速扫描模式下的分辨率。图 5a 显示了脉冲模式下的功率电流 (P-I) 特性，电流驱动器保持在 2 kHz，占空比为 0.2%。对于直端连接到 Talbot 腔 QCL 阵列的器件，在 298 K 下获得 1.3 W 的总峰值功率，阈值电流密度为 3.7 kA/cm ² 斜率效率为 0.6 W/A，对应于 1.6 W 输出功率，阈值电流密度为 3.4 kA/cm ² 锥形末端阵列的斜率效率为 0.65 W/A，如蓝线和紫线所示。相比之下，具有 2 mm 长 × 10 μm 宽脊的单个激光器件的最大峰值功率为 0.41 W，阈值电流密度为 3 kA/cm ² ，斜率效率为 1 W/A。具有基本操作的阵列的输出功率是单个发射器的三倍。为了更简要地展示测试结果，表 1 总结了三种器件的输出特性。每个元件的平均输出功率约为单个发射器的 63%，高于参考文献中的输出功率。 [19]。参考[26] 报告了一个锁相 QCL 阵列，带有腔内 Talbot 滤波器，单个阵列元件的平均功率等于单个发射器的 43%。由于湿蚀刻方法在两个圆形结中产生额外的光损耗，因此效率低于在 Talbot 腔和阵列元件之间具有一个结的器件。参考[27] 报道了一种与 Talbot 腔集成的六元件器件，其输出功率是单个发射器的五倍，耦合效率约为 83%。我们设备的效率较低很可能是由于 Talbot 腔中更强的边缘衍射损耗和湿蚀刻方法制造。后续工作应采用干法刻蚀方法，并增加锥区长度以获得进一步的功率缩放。图 4a 的插图显示了锁相阵列在室温和 1.3 I 下的激光光谱 日。中心波长经测量为 4.8 μm，由于缺乏纵模选择机制而具有多模特性。单模光谱可以通过在顶部包层上引入分布式反馈 (DFB) 光栅来实现。使用有限元软件 COMSOL 模拟宽 QCL 和 QCL 阵列的热特性。固定脊宽设为10 μm，阵元间距从0~20 μm以5 μm为步长变化。图 5b 显示了 AR 的温度随元素间距的变化而变化。宽脊器件中AR的温度比Talbot腔器件高约20 K。

一 对于连接到 Talbot 腔 QCL 阵列和 2 毫米长 × 10 微米宽的直端（蓝线）/锥形端（紫线），总峰值功率变化是 298 K 时注入电流的函数单激光（绿线）。所有器件的腔体两侧都没有涂层。电流驱动器保持在 2 kHz，占空比为 0.2%。插图是直端阵列在 1.3 倍阈值电流下的激光光谱，峰值电流约为 4.8 μm。 b QCL 阵列的有源区温度随阵列元素间距的变化而变化。阵元脊宽固定为10 μm，间距从0到20 μm，步长为5 μm

结论

总之，我们已经展示了分别在直端和锥形端与 Talbot 腔集成的锥形 QCL 阵列。在直端集成了 Talbot 腔的器件显示了具有 D.L.在 4.8 μm 的发射波长下发散度为 2.7°。直端阵列的输出功率为 1.3 W，斜率效率为 0.6 W/A。由于Talbot腔锁相阵列不需要很近的耦合距离，因此热量积累低于渐逝波耦合阵列。此类器件具有使用 D.L. 实现高占空比操作的高亮度 QCL 阵列的潜力。分歧。未来的工作应该集中在选择合适的阵列元件脊宽度和间隙、使用埋脊波导以及使用微冲击冷却器进行热管理 [28]。此外，AR 级联数量的减少将对高亮度 QCL 的高占空比工作做出重要贡献 [29]。

缩写

AR：

活动区域

CW：

连续波

D.L.：

衍射极限

DFB：

分布式反馈

FWHM：

半高全宽

I 次：

阈值电流

MBE：

分子束外延

MCT：

汞镉碲

MOVPE：

金属有机气相外延

PECVD：

等离子体增强化学气相沉积

P-I：

电源电流

QCL：

量子级联激光器

WPE：

插墙效率