量子級聯(lián)（QC）激光器已經(jīng)發(fā)展成為高功率器件忿薇。然而裙椭，從這些設(shè)備收集的Max功率通常取決于光束的穩(wěn)定性，在某些情況下，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)光束隨時間隨機波動并在平面上轉(zhuǎn)向。這些波動砂蔽，即指向不穩(wěn)定性纷纫，歸因于空腔內(nèi)多個橫向模式或側(cè)孔燃燒的相互作用橫向模式控制方面的工作以前也有報道。
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用橫模控制抑制量子級聯(lián)激光器的指向不穩(wěn)定性
以前我們報道了QC激光器的模態(tài)不穩(wěn)定性和光束轉(zhuǎn)向使用固定NA（0.87）檢測器牵辣，我們發(fā)現(xiàn)脈沖不穩(wěn)定器件的脈沖平均接收功率降低高達20%抢腐。在脈沖內(nèi)不同柵極位置獲得的空間相關(guān)光譜表明姑曙，在橫向模式之間存在頻率鎖定，而遠場強度分布的時間分辨測量顯示迈倍，光束在平面上轉(zhuǎn)向了10°≡祝現(xiàn)在我們提出了一種在QC激光器中抑制指向不穩(wěn)定性的方法，該方法涉及通過窄授瘦、短（僅占腔長度的百分之幾）和高損耗的脊波導(dǎo)收縮來控制橫向模式醋界。這個想法是對分布在激光脊兩側(cè)的模式引入足夠的擾動，同時保持基本模式不變提完。收縮對器件的影響如圖1所示形纺，圖1顯示了用COMSOL MULTIPHYSICS獲得的腔模式模擬。模擬了兩種裝置的橫截面徒欣，一種是傳統(tǒng)的脊結(jié)構(gòu)逐样，另一種是狹窄的階梯脊結(jié)構(gòu)。在這兩種情況下打肝，波長和脊寬分別保持在4.6 um和13 um脂新。
圖1
在原始的無擾動腔結(jié)構(gòu)中粗梭，模態(tài)被強烈地限制在活動芯內(nèi)争便，一階和二階模態(tài)的計算損失分別為0.24 cm-1和0.5 cm-1。當(dāng)兩個pt填充的溝槽延伸到活動巖心的正上方時断医，計算的損耗在一階和二階模式下分別增加到6.3 cm-1和18.5 cm-1滞乙。階躍脊在一階模態(tài)中引入了額外的損耗，而對二階模態(tài)的影響更大鉴嗤。在這里斩启，計算的損耗假設(shè)一個無限長的空腔。因此醉锅，為了使對一階模態(tài)損耗和閾值的影響保持在Min（<5%）兔簇，只選擇了腔長度的一小部分（<2%）用于階躍脊。
圖2
為了實驗測試這個想法硬耍，我們從2.5毫米和3毫米長的激光脊的頂部蝕刻了兩個短溝槽（25毫米長_x0005_ 3毫米寬_x0005_ 2.7米深）垄琐，并用鉑（Pt）填充。根據(jù)我們的模型默垄，幾乎任何金屬都會產(chǎn)生類似的效果此虑，但鉑是我們可以得到金屬。類似的溝槽先前已用于開槽法布里-珀羅（FP）激光器口锭，以實現(xiàn)寬波長可調(diào)性和窄線寬朦前，和zui近它們與光子晶體相結(jié)合介杆，用于vcsel的單橫模控制韭寸。這種類型的溝槽也用于二極管激光器春哨，以防止背反射和保持單模發(fā)射，但不用于防止光束轉(zhuǎn)向恩伺。我們的溝槽是通過聚焦離子束（FIB）銑磨引入的赴背，這是Sadeghi等人zui近使用的一種技術(shù)，用于在激光脊上制造分布式布拉格反射器（DBR）晶渠，用于光譜縮小和模式選擇采用金屬有機氣相沉積（MOCVD）技術(shù)凰荚，在應(yīng)變平衡的In0.66Ga0.34As/Al0.69In0.31As材料的InP襯底上生長激光結(jié)構(gòu)。
圖3
圖2(a)為QC激光器端部在蝕刻短溝槽后的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像褒脯，圖2(b)為用鉑填充溝槽后的相同器件便瑟。首先，我們使用100 ns寬度和5 kHz重復(fù)頻率的脈沖番川，通過測試蝕刻前后激光器的不穩(wěn)定性到涂，研究了未填充溝槽的影響。實驗裝置如圖4的頂部插入所示颁督，包括一個準(zhǔn)直透鏡践啄。，焦距?1.5英寸沉御。另一個相同的透鏡將準(zhǔn)直光束聚焦到室溫碲化汞鎘（MCT）探測器上屿讽。我們從接收功率中提取斜率效率，并注意到提高了20%嚷节，達到1.3 _x0005_ Ith聂儒。然而，此后光脈沖變得不穩(wěn)定硫痰，導(dǎo)致斜率效率在1.3 _x0005_ Ith以上下降了60%。這表明蝕刻收縮引入的散射不足以完全抑制高功率水平下的不穩(wěn)定性窜护。
圖4
為了進一步增加高階橫向模所經(jīng)歷的損耗效斑，我們用Pt填充溝槽并重復(fù)相同的實驗。圖3顯示了FIB和Pt填充前后器件的光電流-電壓（LIV）特性柱徙』和溃“前”曲線中的扭結(jié)和功率噪聲是由脈沖波動（見圖3底部插圖）和指向不穩(wěn)定造成的，因為當(dāng)光束轉(zhuǎn)向時护侮，探測器上收集的光變少了敌完。
處理后得到的曲線沒有噪聲和扭結(jié)，從接收到的超過300個脈沖的平均輸出功率測量的斜率效率提高了65%羊初，這是脈沖變化改善的直接結(jié)果滨溉∈蚕妫“后”曲線中閾值的輕微下降（0.02 A）不是FIB處理的結(jié)果，而是在重復(fù)閾值測量的誤差范圍內(nèi)晦攒。事實上闽撤，其他測試設(shè)備（此處未顯示）也記錄了類似的改進，但閾值略有增加（5%）脯颜。
圖5
我們通過收集200個連續(xù)脈沖并繪制其功率電平來量化添加pt填充溝槽的效果哟旗，這些脈沖的平均功率電平超過脈沖中間的90ns柵極。
結(jié)果如圖4所示栋操。隨著電流的增大闸餐，高階模被激發(fā)，脈沖平均波動達到平均值的21%矾芙，如圖4(a)所示舍沙。
在增加收縮后，我們在相同的電流水平下重復(fù)相同的測量蠕啄，結(jié)果顯著改善场勤，如圖4(b)所示。平均脈沖值有所增加歼跟，其余脈沖波動低于平均值的2%和媳，這與測量的信噪比一致。圖5是在0.83 a哈街、0.88 a留瞳、0.92 a下采集的數(shù)據(jù)子集，說明了模式識別帶來的改善骚秦。左邊的直方圖（紅色）顯示了不穩(wěn)定激光在200個平均脈沖內(nèi)的150mw變化她倘。在擾動和抑制高階側(cè)模后，平均脈沖之間的變化降至15 mW以下作箍，如圖右側(cè)（藍色）的直方圖所示硬梁。相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差證實了脈沖穩(wěn)定性至少提高了10倍，單個脈沖功率也平均增加了250 mW胞得。
圖6
zui后荧止，我們測量了我們的設(shè)備在不同電流下的遠場強度分布，通過掃描一個快速室溫MCT探測器阶剑，沿著橫向（垂直于生長方向）跃巡，在距離激光前面50px的階段上，以1mm的間隔牧愁。圖6(a)顯示了該器件在加入縮窄之前的遠場圖素邪。在所有電流水平，兩個副瓣猪半，對應(yīng)于高階橫向模式兔朦，是明顯的偷线，除了在中心的主瓣。
在蝕刻和Pt填充后烘绽，我們收集了器件在相似電流間隔下的遠場圖淋昭。結(jié)果如圖6(b)所示，所有電流電平均為一個葉瓣安接。
側(cè)瓣的缺失表明腔內(nèi)所有側(cè)模都受到抑制翔忽。
綜上所述，我們通過橫恼甸埽控制抑制了QC激光器的指向不穩(wěn)定性歇式。加入收縮前后的數(shù)據(jù)比較表明，在所有電流下胡野，脈沖波動幾乎完全消除材失，遠場強度分布呈高斯分布。由于收集的功率硫豆，設(shè)備的斜率效率提高了65%龙巨，而閾值沒有任何顯著變化。雖然在后期制作模式下演示熊响，但我們不打算在每個激光器上使用fib生成的模式鑒別器來糾正光束轉(zhuǎn)向旨别。在工業(yè)環(huán)境中，我們可以在初始脊結(jié)構(gòu)制造過程中汗茄，通過干化學(xué)蝕刻在脊結(jié)構(gòu)的左邊和右邊的小步驟來包括原始設(shè)備加工中的收縮秸弛。這將使高階橫模暴露給金屬，而使基本模保持不變洪碳。
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