本文報道了一種寬可調(diào)諧單模量子級聯(lián)激光器的實驗演示，該激光器具有非對稱馬赫-曾德爾（AMZ）干涉儀型腔和獨立偏置臂面哥。因此哎壳，AMZ型腔的兩個臂的電流和溫度調(diào)諧導(dǎo)致在80 K的連續(xù)波模式下工作的單模調(diào)諧范圍為20 cm-1，比單偏置電流下的激光器提高了10倍尚卫。此外還觀察到归榕，與一個偏置電流控制的AMZ腔相比，調(diào)諧速率增加了五倍吱涉。
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帶有獨立偏置臂的非對稱馬赫-曾德爾干涉儀型腔的量子級聯(lián)激光器寬單模調(diào)諧
量子級聯(lián)（QC）激光器是一種強大而緊湊的半導(dǎo)體光源怎爵。在中紅外波段特石，它們是目前分子傳感中基于吸收的光譜系統(tǒng)中非常有利的光源。由于這些系統(tǒng)利用了不同氣體分子的強而窄的吸收線鳖链，它們要求QC激光器在單模下工作姆蘸，并且是連續(xù)的，廣泛可調(diào)的撒轮。研究并實現(xiàn)了實現(xiàn)波長選擇性和可調(diào)性的不同方法乞旦。直到zui近，大多數(shù)QC激光器的單模操作已經(jīng)通過在常規(guī)Fabry-Perot QC激光器的頂部合并周期性光柵實現(xiàn)题山，例如分布式反饋光柵或分布式布拉格反射器兰粉。然而，需要在波長尺度上精確的周期結(jié)構(gòu)需要更復(fù)雜的制造步驟（例如顶瞳，電子束光刻）玖姑，通常導(dǎo)致更高的成本和更低的產(chǎn)量愕秫。機械可移動光柵集成到外腔，使單模調(diào)諧范圍寬然而焰络，在這種配置中戴甩，波長選擇和調(diào)諧需要系統(tǒng)集成和光學校準。因此闪彼，用簡單的制造步驟就能實現(xiàn)單模發(fā)射的空腔是人們所需要的甜孤，并且已經(jīng)用不同的幾何形狀進行了研究，例如直耦合法布里珀羅空腔和折疊法布里珀羅空腔畏腕。非對稱MachZehnder （AMZ）干涉儀是波長選擇性的理想選擇缴川，已廣泛應(yīng)用于光纖激光器zui近，一種新型的腔體設(shè)計描馅，將AMZ干涉儀單片集成在QC激光器中把夸，已經(jīng)報道了單模工作，側(cè)模抑制比（SMSR）為35dB铭污。然而恋日，這種設(shè)備的連續(xù)調(diào)諧被限制在20cm-1。
報告一種通過設(shè)計干涉儀的兩個臂具有單獨的金屬觸點來改善AMZ QC激光器十倍調(diào)諧的方法嘹狞；這樣的設(shè)計允許不同的電流應(yīng)用到兩個臂上岂膳，這使得局部溫度，因此兩個臂的模態(tài)折射率可以獨立調(diào)諧刁绒。此外闷营，這樣的調(diào)諧結(jié)構(gòu)允許在兩個臂上有更廣泛的相位關(guān)系，從而允許激光在兩個臂上的單個偏置電流無法獲得的波長下發(fā)射知市。
圖1
圖1(A)顯示了包含獨立金屬觸點的AMZ干涉儀型腔設(shè)計的示意圖傻盟。與參考文獻14類似，該腔由連接兩個直脊波導(dǎo)的AMZ干涉儀結(jié)構(gòu)組成嫂丙。將直脊波導(dǎo)連接到AMZ干涉儀臂上的局部對稱y分路器結(jié)構(gòu)旨在大限度地減少耦合損失娘赴。在這種腔中選擇激光模式是基于三個因素：介質(zhì)的光學增益分布、腔的FabryPerot （FP）模式和AMZ干涉儀的透射譜跟啤。
采用參考文獻中討論的基于超強耦合設(shè)計的QC激光材料诽表，采用標準脊激光加工技術(shù)制造出了具有AMZ干涉儀型腔體的QC激光器。所制備器件的光學顯微鏡圖像如圖1(b)所示隅肥。所有制造器件的脊寬為8.0 ± 0.2 um竿奏，臂長差為350 ~ 500 um。兩個觸點之間的分離距離為50um腥放。用不同的直流光源對干涉儀的兩個臂進行偏置泛啸，用傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）在80k下測量激光光譜。具有較低閾值電流密度的器件在脈沖模式（100 ns脈沖寬度秃症，80 kHz重復(fù)率）和連續(xù)波（CW）模式下均表現(xiàn)為單模工作候址。圖2(a)的頂板顯示了500 um吕粹、總腔長（l1 + L2 + Lridge）為3.45 mm的激光的亞閾值放大自發(fā)發(fā)射光譜。
光譜包絡(luò)線的周期性為7 cm-1岗仑，對應(yīng)于AMZ干涉儀的透射光譜周期匹耕。亞閾值光譜中非常強模式對應(yīng)的模式發(fā)生激光，對應(yīng)2073 cm-1荠雕，如圖2(a)底部面板所示稳其。在相同的脈沖電流下，典型的分離觸點AMZ QC激光器的脈沖光電流-電壓（LIV）特性（如圖2(b)所示）表明舞虱，該器件的閾值電流密度（1.6 kA/cm2）欢际，面對面長度為1.8 mm，大約是具有單觸點14的AMZ QC激光器（0.8 kA/cm2）矾兜，面對面長度為2.5 mm的兩倍。閾值電流密度的增加是由于單獨偏置器件的面到面長度的減小患久。這也可以部分歸因于額外的散射損失和兩個區(qū)域的光學增益系數(shù)的降低椅寺，這兩個區(qū)域缺乏金屬接觸，因此缺乏電泵浦蒋失。圖2(b)的插入部分顯示了另一種350 um裝置的CW-LIV特性返帕，其峰值功率為90 mW。
圖2
這些激光器的單模調(diào)諧是通過改變直流電流來實現(xiàn)的篙挽。在相同直流偏置電流下荆萤，兩條臂的激光光譜如圖3(a)所示。觀察到的高SMSR接近30 dB铣卡，而典型的SMSR為25 dB链韭。模跳自由調(diào)諧范圍很小2 cm-1），以亞閾值頻譜中強的模為中心煮落。額外的波長通過大的模式跳到達敞峭。
然而，在調(diào)整第二臂的直流電流的同時蝉仇，通過將直脊波導(dǎo)的一只手臂保持在高于閾值的恒定直流電流旋讹，可以達到zui初錯過的模式，如圖3(b)所示轿衔，其中顯示了以前無法達到的2075 cm-1至2084 cm-1之間的模式沉迹。使用這種配置，可以實現(xiàn)大范圍的單模調(diào)諧害驹，如圖4所示鞭呕。如圖虛線所示，發(fā)射波長可以在10 cm-1范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)諧裙秋。此外琅拌，虛線的斜率顯示了0.03 um/kA/cm2的調(diào)諧速率缨伊，這比均勻泵送裝置的調(diào)諧速率快5倍這與理論預(yù)測一致，理論預(yù)測表明速率至少是三倍快进宝，因為臂2的長度L2大約是臂長差DL的三倍刻坊。單獨觸點的額外更快的調(diào)諧速率源于這樣一個事實，即與施加于整個激光器的相同電流引起的溫度梯度DT相比党晋，施加于臂2的電流引起的溫度DT2變化更大谭胚。
圖3
盡管對于單獨偏置的調(diào)諧配置仍然存在模式跳，但是一旦發(fā)射模式跳到更高的波數(shù)未玻，調(diào)諧第二臂允許訪問在跳期間錯過的較低波數(shù)的模式灾而。
臂1中在較高電流下向較低波長的偏移可能是增益藍移（由于較高的施加電壓）以及由于較高的連續(xù)波電流引起的較高溫度而導(dǎo)致的增益展寬的綜合效應(yīng)的結(jié)果。使用查找表中兩個直流電流的不同配置扳剿，單模發(fā)射幾乎可以連續(xù)調(diào)諧到20 cm-1旁趟。
圖4
總之，我們證明了通過在干涉儀的兩個臂上使用單獨的金屬觸點庇绽，具有AMZ干涉儀型腔的QC激光器的調(diào)諧范圍提高了10倍锡搜，調(diào)諧速率提高了5倍。臂長差為500 um的激光器在80k下瞧掺，在單獨的電偏壓下耕餐，在臂1的100 mA電流范圍內(nèi)和臂2的150 mA z大電流范圍內(nèi)進行了激光光譜測量。調(diào)諧范圍為20 cm-1辟狈，比單觸點AMZ QC激光器提高了10倍肠缔。
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