具有低時(shí)間相干性和高空間相干性的超發(fā)光光源具有許多工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用铡买。特別是，這種近紅外光源已被用于光學(xué)相干層析成像(OCT)霎箍，用于人眼內(nèi)部結(jié)構(gòu)的高分辨率和橫斷面層析成像實(shí)時(shí)成像奇钞。將OCT擴(kuò)展到中紅外(mid-IR)將有可能將生物醫(yī)學(xué)成像擴(kuò)展到癌組織和膠原酰胺、磷酸鹽和碳酸鹽等在中紅外具有強(qiáng)吸收光譜的化合物漂坏。中紅外OCT系統(tǒng)也可以用于工業(yè)過(guò)程監(jiān)控景埃。然而，由于缺乏合適的中紅外超發(fā)光光源顶别，這種中紅外成像系統(tǒng)尚不存在纠亚。
高功率螺旋腔量子級(jí)聯(lián)超發(fā)光發(fā)射器
量子級(jí)聯(lián)(QC)器件在中紅外中表現(xiàn)出潛在的超發(fā)光光源蒂胞。然而，由于子帶間躍遷的非輻射載流子壽命短条篷，導(dǎo)致自發(fā)輻射較低骗随，因此在QC器件中實(shí)現(xiàn)毫瓦的超發(fā)光(SL)功率是具有挑戰(zhàn)性的。在2 mm長(zhǎng)的法布里-珀羅腔中用濕蝕刻面代替一個(gè)鏡面赴叹，在10 K下的峰值光功率為25 μW鸿染。光功率不足阻礙了這種光源的實(shí)際應(yīng)用。雖然存在強(qiáng)大的寬帶QC激光器乞巧，但激光引起的長(zhǎng)相干長(zhǎng)度會(huì)降低OCT系統(tǒng)中的圖像分辨率涨椒。zui近，通過(guò)采用帶有Si3N4抗反射涂層的圓形濕接后面和17°傾斜劈裂前面绽媒，在250 K下實(shí)現(xiàn)了~10 mW的峰值SL功率蚕冬。然而，這些發(fā)射器的長(zhǎng)度為8毫米是辕，這限制了這些設(shè)備的緊湊性囤热。這一限制限制了實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的器件產(chǎn)生更高的SL功率，因?yàn)閦大可達(dá)到的SL功率隨著器件長(zhǎng)度的增加近似線性增加获三。
我們展示了一種螺旋腔設(shè)計(jì)旁蔼，它結(jié)構(gòu)緊湊锨苏，可以在不需要更大芯片面積的情況下制造更長(zhǎng)的器件。由于我們目前的電源限制了這些設(shè)備的室溫操作棺聊，因此所有測(cè)量都在80 K到250 K之間進(jìn)行伞租。在250k下，用12mm長(zhǎng)的螺旋腔實(shí)現(xiàn)了~ 57mw的輸出功率限佩。研究表明葵诈，z大放大自發(fā)發(fā)射(ASE)輸出強(qiáng)度可近似為
由于ASE的輸出強(qiáng)度與腔的長(zhǎng)度成線性比例，因此越長(zhǎng)的器件將產(chǎn)生更多的功率犀暑。此外驯击，背面和正面的反射率可以z小化，以達(dá)到所需的ASE輸出功率耐亏。具有大彎曲半徑的螺旋腔(與線性腔相反)因此可以促進(jìn)更緊湊的制造更長(zhǎng)的器件徊都。
圖1
中紅外超發(fā)光螺旋腔設(shè)計(jì)如圖1(a)所示。所述螺旋內(nèi)端連接有圓形濕蝕刻面广辰，外端連接有17°角的直段暇矫，具有劈開(kāi)面。z小螺旋半徑選擇為~380 μm择吊，可以忽略彎曲損失李根。制作了兩種長(zhǎng)度的空腔，8mm和12mm几睛。對(duì)于8mm器件房轿，17°角直脊的長(zhǎng)度為~950 μm， ~1325 μm適用于12mm設(shè)備所森。這兩個(gè)波導(dǎo)的寬度為~25 μm囱持，深度為~6 μm，深到足以暴露有源核心焕济，同時(shí)在有源區(qū)域的蝕刻背面保持一個(gè)斜率泻仙，以將入射光反射到基片上浪汪，并通過(guò)其彎曲的壁散射入射光。此外片挂，它還涂有1.2 μm的Si3N4绑嘹，以進(jìn)一步抑制來(lái)自背面的光反饋鸠窗。通過(guò)比較兩個(gè)4mm長(zhǎng)的Fabry-Perot (FP)腔的閾值電流密度和獨(dú)立測(cè)量的凈增益尺借，實(shí)驗(yàn)確定了具有抗反射(AR)涂層的這種面的反射率為~10?5顶岸，其中一個(gè)具有兩個(gè)劈裂面，另一個(gè)具有劈裂的前面和濕蝕刻ar涂層的后面旗国。17°角脊波導(dǎo)(如圖1(b)所示)用于抑制來(lái)自前切面的殘余反射枯怖，據(jù)報(bào)道其反射率約為~10?2。
圖2
本文采用的QC有源芯設(shè)計(jì)基于超強(qiáng)耦合方案能曾，在80 K時(shí)發(fā)射波長(zhǎng)為~5 μm度硝。該器件采用標(biāo)準(zhǔn)脊激光加工工藝制備:波導(dǎo)采用光刻工藝，濕蝕刻至~6 μm深;采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)法制備了1.2 μm的Si3N4;采用光刻和反應(yīng)蝕刻(RIE)技術(shù)在空腔頂部(不包括背面)打開(kāi)了寬度約18 μm的接觸窗;接觸模式再次通過(guò)光刻技術(shù)定義寿冕，通過(guò)電子束蒸發(fā)從三個(gè)不同角度沉積30/300 nm的Ti/Au頂部金屬接觸蕊程，以確保覆蓋在螺旋形腔的所有側(cè)壁上。取下后驼唱，將襯底薄至~200 μm藻茂，通過(guò)電子束蒸發(fā)沉積20/200 nm的Ge/Au底金屬接觸層。然后將器件安裝在外延側(cè)的銅散熱器上玫恳。
圖3
由于前面傾斜辨赐，采用遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量來(lái)確定發(fā)射角。如圖1(c)所示京办，8毫米和12毫米器件的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量是在低于閾值的條件下進(jìn)行的掀序，溫度為~2.6 A，溫度為80 K惭婿，使用液氮冷卻的HgCdTe探測(cè)器不恭。與先前報(bào)道的器件一致，兩種器件的光發(fā)射在正角方向上呈現(xiàn)兩個(gè)峰财饥，8mm和12mm器件的半z大全寬(FWHM)分別為~15°和~ 35°换吧。在將器件旋轉(zhuǎn)到與其各自的峰值發(fā)射相對(duì)應(yīng)的角度后，這些器件的光钥星、電流和電壓(LIV)特性在脈沖模式下以電流脈沖寬度進(jìn)行100納秒沾瓦，重復(fù)頻率5千赫。通過(guò)一對(duì)ZnSe透鏡谦炒，將器件的光發(fā)射準(zhǔn)直并聚焦到室溫的HgCdTe探測(cè)器上贯莺。兩種器件在不同溫度下的LI特性如圖2所示，其中“X”標(biāo)志著激光閾值编饺，這是由它們相應(yīng)的光譜確定的乖篷。典型的8mm長(zhǎng)器件在激光前的所有溫度下均可獲得> 5mw的SL功率。在200 K以上透且，在低于激光閾值的~20 mA處觀察到~30 mW的SL功率撕蔼。根據(jù)式(1)，由于長(zhǎng)度增加了50%秽誊，12mm器件的性能應(yīng)該比8mm器件高50%鲸沮。事實(shí)上，z好的12毫米設(shè)備比8毫米設(shè)備發(fā)出的能量要大得多锅论。它在所有溫度下都發(fā)出> 20兆瓦的SL功率讼溺。在200 K以上，在低于激光的~20 mA下可獲得~57 mW的SL功率最易。與先前報(bào)道的器件相比怒坯，螺旋腔中的光發(fā)射從ASE到激光的過(guò)渡更加平滑炫狱。在低于閾值~20 mA時(shí)，提取了兩個(gè)器件在不同溫度下的SL功率剔猿，并繪制在圖3中视译。由于激光閾值隨溫度的升高而增大，在較高溫度下觀察ASE需要較大的電流归敬。因此酷含，由于超出了我們當(dāng)前供電單元的技術(shù)限制，因此不報(bào)告250 K以上溫度下的SL功率汪茧。
圖4
對(duì)于OCT的潛在成像應(yīng)用椅亚，中紅外光源的相干長(zhǎng)度除了具有高光功率發(fā)射外也起著重要作用。由于相干長(zhǎng)度決定了三維圖像的深度分辨率舱污，因此需要較小的相干長(zhǎng)度高質(zhì)量成像呀舔。對(duì)于具有寬高斯譜的理想源，相干長(zhǎng)度由給出慌闭。
其中λ為中心波長(zhǎng)别威，Δλ為FWHM。因此驴剔，在中紅外區(qū)域較長(zhǎng)的波長(zhǎng)處省古，為了保持相同的相干長(zhǎng)度，光譜寬度必須顯著增加丧失。
用分辨率為0.125 cm?1的傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)在快速掃描模式下拍攝發(fā)射光譜豺妓，在與LIV表征相同的操作條件下確定激光閾值。圖4 (a)顯示了兩種器件在低于閾值~20 mA時(shí)在80 K下拍攝的光譜布讹，圖4 (a)顯示了在16 cm?1分辨率的階躍掃描模式下拍攝的相應(yīng)干涉圖琳拭。4 (b).在80k的z大ASE功率下，兩種器件的FWHM均為~47 cm?1的高斯形光譜描验。平滑的光譜表明發(fā)射器確實(shí)低于閾值白嘁。通過(guò)干涉圖確定了8 mm和12 mm器件的相干長(zhǎng)度分別為~112μm和~127μm。在較高的溫度下膘流，由于ASE光譜的展寬絮缅，預(yù)計(jì)相干長(zhǎng)度會(huì)更小。在250 K時(shí)呼股，8 mm和12 mm長(zhǎng)的器件分別觀察到FWHM為63 cm?1和56 cm?1的高斯形光譜(圖4 (c))耕魄，從相應(yīng)的干涉圖中提取的相干長(zhǎng)度為~94μm和~107μm(圖4 (d))。相干長(zhǎng)度也繪制為200k下12mm長(zhǎng)的器件峰值功率的函數(shù)彭谁，如圖5所示吸奴，其中“X”表示激光閾值。相干長(zhǎng)度隨著功率的增加而增加的原因是由于泵浦電流的增加而產(chǎn)生的增益變窄≡虬拢總的來(lái)說(shuō)考润，相干長(zhǎng)度在輸出功率從~20 mW到~118 mW的閾值附近發(fā)生了微小的變化(~11μm，~10%)逞度。在閾值以下额划，從~20 mW到~57 mW妙啃，相干長(zhǎng)度僅增加了~4μm档泽，使其成為不需要小于~115μm深度分辨率的成像材料的穩(wěn)定源。
圖5
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