Laser terahertz cu emisie de suprafață de mare putere cu grilaje hibride de ordinul doi și patru Bragg
Subiecte
O corecție a editorului la acest articol a fost publicată la 14 mai 2018
Acest articol a fost actualizat
Abstract
Un laser cu reacție distribuită cu emisie de suprafață (DFB) cu grătare de ordinul doi excită de obicei un mod antisimetric care are o eficiență radiativă scăzută și un fascicul cu câmp îndepărtat cu dublu lob. Eficiența radiativă ar putea fi mărită prin utilizarea unor rețele curbate și chirped pentru lasere cu diode infraroșii, selecția modului asistat de plasmon pentru lasere cu cascadă cuantică în infraroșu mediu (QCL) și structuri fotonice gradate pentru QCL terahertz. Aici, demonstrăm o nouă schemă de rețea hibridă care folosește o suprapunere a grătarelor Bragg de ordinul al doilea și al patrulea care excită un mod simetric cu eficiență radiativă mult mai mare. Schema este implementată pentru QCL terahertz cu ghiduri de undă metalice. Puterea maximă de ieșire de 170 mW cu o eficiență a pantei de 993 mW A −1 este detectată cu o emisie robustă monomod monolobată pentru un QCL de 3,4 THz care funcționează la 62 K. Schema de rețea hibridă este, fără îndoială, mai simplă de implementat decât DFB menționat anterior. schemele și ar putea fi utilizate pentru a crește puterea de ieșire a laserelor DFB cu emisie de suprafață la orice lungime de undă.
Introducere
Aici descriem o nouă schemă de îmbunătățire a eficienței radiative pentru QCL-uri DFB emițătoare de suprafață în cavități metalice care realizează o putere de ieșire ridicată pentru QCL-uri terahertz monomod. Se realizează o eficiență record a pantei, care este de peste patru ori mai mare decât cea din ref. 9 și este, de asemenea, considerabil mai mare decât cea a QCL-urilor terahertz cu ghiduri de undă cu un singur plasmon care au atins recent puteri de ieșire la nivel de watt 24, 25 .
Rezultate
Concept
O perturbație periodică într-un ghid de undă optic duce la difracția lui Bragg până la mai multe ordine superioare care ar putea fi utilizate pentru a împerechea unde de propagare în ghid de undă pentru a stabili DFB. Următoarea ecuație descrie relația de conservare a impulsului între vectorii de undă ai undei ghidate incident din interiorul cavității kși ≈ 2π/λwg = 2πneff /λ (Unde λwg este lungimea de undă din interiorul ghidului de undă, λ este lungimea de undă a spațiului liber și ef este indicele efectiv de propagare) și cel al undei difractate kd, care ar putea fi în afara sau în interiorul cavității sub orice unghi θd (așa cum este definit în raport cu suprafața normală). Aceasta este, de asemenea, reprezentată schematic în Fig. 1a.
Aici Λ este perioada de grătar, 2π/Λ este vectorul de undă al rețelei și este un număr întreg ( = 1,2,3 ...) care specifică ordinea difracției. Din această ecuație, se poate concluziona că a -structura de grătar de ordinul unu, unde este un număr par, cauzează / Difracția de ordinul 2 să apară în direcția normală a suprafeței.
Implementarea schemei hibride DFB pentru QCL terahertz
0,08 THz în simularea prezentată, care se datorează faptului că o fracțiune mai mare de câmp evanescent se propagă în afara mediului activ care scade indicele efectiv de propagare ef al undelor ghidate.
Comparația DFB hibrid și DFB de ordinul II pentru QCL terahertz. A Ilustrația unei cavități metalice pentru QCL-uri terahertz, în care fantele sunt deschise în placarea metalică superioară pentru a implementa o rețea periodică 18. O rețea de ordinul patru se suprapune la un decalaj de lungime d la rețeaua originală de ordinul doi cu periodicitate Λ pentru a realiza o structură de rețea hibridă ca în Fig. 1c. Spectru mod pentru o cavitate de 1,4 mm lungime și infinit de lată cu grătare DFB (Λ = 27 μm, lățimea fantei
3 μm) calculat cu metoda de modelare a elementelor finite. Pierderile radiative de suprafață pentru diferite moduri rezonante pentru cavitatea cu grătarele de ordinul doi sunt reprezentate în roșu (linii subțiri), iar cea pentru cavitatea cu grătarele hibride (d/Λ = 3/8) în albastru (linii groase). Insetele prezintă profiluri de câmp electric pentru modurile de margine de bandă inferioară și superioară, respectiv, ale structurii de bandă fotonice pentru fiecare tip de grătar (bara de culoare prezentată în această figură se aplică tuturor graficelor de profiluri de câmp electric). Pierderea radiativă este determinată efectiv de amplitudinea și faza câmpului electric în plan (E X ) în fante
Pentru modul simetric excitat în cazul hibridului DFB cu un anumit d/Λ = 3/8, eff este aproape de
3.2 conform Eq. (1), acest lucru este relativ scăzut ef se datorează stabilirii unui câmp puternic de plasmon polariton de suprafață (SPP) care se propagă în partea superioară a regiunii active așa cum se arată în Fig. 2b. În schimb, modul antisimetric are o dimensiune mai mare ef
3.45, ceea ce se traduce printr-o fracțiune mai mare a modului rezonant limitat în mediul activ.
Considerații de proiectare și comparație cu o structură DFB de ordinul doi cu două fante. A Pierderea calculată a suprafeței modurilor de margine de bandă pentru structura hibridă DFB prezentată în Fig. 2a, trasată în funcție de d/Λ. Distanța dintre diafragme d este un parametru de proiectare care ar putea fi utilizat pentru a modifica pierderile respective și, de asemenea, bandgap, care este, de asemenea, reprezentat. Pierderea de suprafață și spațiul de bandă sunt, de asemenea, reprezentate în funcție de distanța dintre diafragme pentru o structură DFB de ordinul doi cu două fante (adică sunt prezente două fante în fiecare perioadă de grătar la Λ), care a fost folosit anterior pentru QCL terahertz 26. Profilurile de câmp electric în apropierea centrului cavităților pentru ambele moduri de margine de bandă sunt reprezentate grafic pentru cazul d/Λ = 0,4 ca exemplu
Rezultate experimentale
Rezultatele experimentale de la QCL-uri terahertz reprezentative implementate cu grilaje hibride DFB în modul de funcționare pulsat și montate în interiorul unui răcitor Stirling sunt prezentate în Fig. 4. Imaginea microscopului electronic de scanare (SEM) a cipului QCL fabricat și montat din Fig. 4a prezintă mai multe QCL-uri de dimensiuni variate situate una lângă alta. Rezultatele prezentate aici provin din QCL-uri cu dimensiunea 10 × 200 μm × 1,5 mm. Alegerea lungimii cavității se face pe baza estimării rezistenței cuplajului DFB și este descrisă în nota suplimentară 1 și nota suplimentară 2, unde profilul simulat al densității de energie de-a lungul lungimii cavității pentru lungimea aleasă este prezentat în figura suplimentară 1. Rețeaua hibridă DFB sub formă de fante este implementată în placarea metalică superioară. Figura 4b arată lumina - curent (L-Eu) curbe versus temperatura radiatorului, curent - tensiune (Eu-V) curba la 62 K și, de asemenea, spectrele în funcție de polarizare la 62 K. QCL emite în mod unic la toate condițiile de polarizare la