高速掃引波長、低しきい値電流、連続波外部キャビティ量子カスケードレーザー

背景

ほとんどの分子の基本的な回転振動遷移エネルギーがこのスペクトル領域にあるため、電磁スペクトルの中赤外線（MIR）領域は分子指紋領域です。 MIR領域でのレーザー吸収分光法は、医療用呼気分析、大気汚染物質の検知、産業排水の監視など、さまざまなアプリケーションにとって重要です[1,2,3]。特に、MIRレーザーの急速な発展に伴い、分光法に基づく光学機器の性能が大幅に向上し、迅速、高感度、正確な測定が可能になりました。

レーザー吸収分光法では、線幅が狭く、出力が適度な調整可能な単一周波数レーザーが必要です。分散フィードバック（DFB）量子カスケードレーザー（QCL）[1]は、線幅が非常に狭く[4]、出力が高く、室温連続波（CW）で動作するため、これらのアプリケーションに適した光源です。ただし、単一のDFBレーザーのチューニング範囲は、数cm ^-1 と非常に限られています。 （〜10 cm ^-1 ）低速調整を介して、広帯域吸収機能および複数種のガス検知への有用性を制限します[5]。 DFBアレイは、220 cm ^-1 を超える優れた調整機能を実現しています。 。ただし、DFBアレイは、複雑で高価なさまざまな格子周期を製造するために電子ビームリソグラフィーを必要とします。さらに、DFBアレイは、センシングアプリケーションのために異なる波長のビーム結合を必要とします[6、7]。

外部空洞量子カスケードレーザー（EC-QCL）は、信頼性が高く、広く調整可能な光源として広く使用されており、300 cm ^-1 を超える調整範囲を提供できます。 [8]ステッピングモーターによる低速スキャン。従来のEC-QCLの場合、モードホップフリーチューニングは、Wysocki etalによって提案されたモード追跡システムによって実現できます。 [9]。レーザー電流とECの長さは、調整プロセス中に位相が一致した三角形の電圧ランプで変調されます。ただし、これでは、モードホップなしで〜1 cm ^-1 のチューニングしかできません。 EC-QCLの全チューニング範囲内の任意の波長で[10]。気相中の化学物質混合物の測定時間を短縮するには、高波長チューニングレートEC-QCLが必要です。急速に掃引されるEC-QCLは、キャビティ内微小電気機械システム（MEMS）または音響光学変調器を使用して設計されており、> 100 cm ^-1 を掃引できます。 サブミリ秒のタイムスケールで[11]。残念ながら、これらの急速に掃引されるEC-QCLシステムのスペクトル分解能は、約1 cm ^-1 と低くなっています。 、これは狭い吸収機能には不十分です。

最近、広い吸収特性を測定するための掃引波長EC-QCLソースがM.C.によって開発されました。フィリップスら。 [12、13]。掃引波長EC-QCLは、100 cm ^-1 以上に調整できます。 掃引速度200Hz、平均出力11 mW、デューティサイクル50％のチューニングカーブのピーク。ただし、パルス動作では、チャープ電流によりラインが広がります。この論文では、Littman-Metcalfキャビティジオメトリの走査型検流計を使用して、135 cm ^-1 の調整範囲で高速掃引波長EC-QCLを実現します。 2105〜2240 cm ^-1 （4.46〜4.75μm）。室温でのCW動作では、しきい値電流は250mAと低かった。ステップスキャンフーリエ変換赤外（FTIR）技術を使用した時間分解測定は、100Hzで繰り返し掃引されたEC-QCLに対して実行されました。レーザースペクトラムアナライザーを使用して、スペクトル分解能を評価しました。のこぎり波変調を使用すると、スペクトル分解能は<0.2 cm ^-1 チューニング範囲内で達成できます。

メソッド

ECシステムは、Littman-Metcalf構成に基づいており、ゲイン要素、この場合はコリメートレンズ、回折格子、および走査型検流計を備えたFabry-Perot（FP）QCLチップの3つの主要要素で構成されています。図1に示されています。ひずみ補償されたQCLアクティブコアは、In _0.67 の30周期で構成されています。 Ga _0.33 As / In _0.36 Al _0.64 [14]で説明されているものと同様に、それぞれ量子井戸と障壁として。デバイスは、FeドープInPの選択的再成長のために、有機金属化学蒸着（MOCVD）を使用して埋め込みヘテロ構造構成で処理されました。 EC-QCLの構築には、リッジ幅が12μm、長さが3mmのFP-QCLゲインチップを使用しました。 Al ₂ からなる高反射率（HR）コーティング O ₃ / Ti / Au / Ti / Al ₂ O ₃ （200/10/100/10/120 nm）およびAl ₂ の反射防止（AR）コーティング O ₃ / Ge（448/35 nm）は、ゲインチップのリアファセットとフロントファセットでそれぞれ蒸着されました。 FP-QCLチップは、エピ層を下にしてインジウムはんだを使用してSiCヒートシンクに取り付け、ワイヤボンディングし、サーミスタと熱電冷却器（TEC）を組み合わせたホルダーに取り付けて、ヒートシンクの温度を監視および調整しました。

Littman-Metcalf外部キャビティ構成の概略図

使用したリットマン構成は、焦点距離6 mmのコリメートレンズ、210溝/ mmの回折格子、および走査型検流計（Thorlabs、GVS111）で構成されています。図1に示すリットマン構成では、1次光が走査型ガルバノメーターに回折され、回折格子によってFP-QCLチップに反射され、放出されたシングルモードレーザー光が0次反射によって抽出されます。回折格子。

EC-QCLから放出された光パワーとスペクトルは、それぞれ校正済みサーモパイル検出器とFTIR分光計で測定されました。すべての測定は、FP-QCLチップをcw動作下で25°Cに保持して行われました。

結果と考察

図2aは、330mAの注入電流でさまざまな走査検流計角度で測定されたcwスペクトルを示しています。発光ピークが2105から2240cm ^-1 にシフトします 0.1°のステップで検流計を回転させることによって。図2bは、図2aと同じさまざまな走査検流計角度で測定された出力電力とサイドモード抑制比（SMSR）を示しています。 25 dBを超えるSMSRは、ほぼすべてのチューニング範囲で実現されました。平均出力電力は約8mWで、出力電力プロファイルはエレクトロルミネッセンススペクトルと一致していました。図3は、2180 cm ^-1 の中央領域でEC-QCLについて測定された電力-電流-電圧（P-I-V）曲線を示しています。 。 EC-QCLのしきい値電流は250mAで、しきい値電流密度（ J ）に対応します。 _th ）0.833 kA / cm ² 。最大cw出力電力20.8mWは、400mAで得られました。

a EC-QCLの正規化された発光スペクトルは、330mAの電流でcw動作で25°Cで測定されました。隣接するスペクトルは、0.1°の検流計回転ステップで測定されました。 b さまざまな走査検流計角度でのEC-QCLの測定された出力電力（赤い曲線）とSMSR（黒い点）

2180 cm ^-1 の中央領域におけるEC-QCLのP-I-V特性

EC-QCLスキャンの特性評価

信号発生器を使用して、100Hzの正弦波を生成しました。走査型検流計に正弦波を実装することにより、EC-QCL波長を330mAの電流でcwモードで繰り返し掃引することができます。正弦波の振幅は3Vで、これは3°の合計調整角度に対応します。 EC-QCLスキャンの特性評価のデモンストレーションには、ステップスキャンFTIR技術を使用した時間分解測定を適用できます。この手法は、繰り返し発生するプロセスを研究するためによく使用されました[15]。生成された信号をFTIRと同期させ、0.2 cm ^-1 のスペクトル分解能で測定を実行しました。 20nsの時間分解能。時間分解発光ピークを図4にプロットしました。EC-QCLは2180cm ^-1 で開始しました。 次に、より低い波数に向けてチューニングします。 1/4周期後、発光ピークは最小波数に達しました。 2105から2240cm ^-1 に調整された波数 次の半期に。リットマン構成の場合：

EC-QCLの時間分解発光ピークは330mAでcwモードで動作し、100Hzで走査型検流計変調が発生しました

ここで、λはEC-QCL波長、 d はグレーティング周期、 m は回折次数、αとβは図1に示す角度です。1次光は走査型検流計で反射され、FP-QCLチップに反射されます。走査型検流計がθの角度で回転すると、上記の式は次のようになります。

この構成では、 m =1、β=7.7°、 d =4.76μm、EC-QCLは高速スキャンモードで動作し、スキャン検流計は12.6 rad / sの速度で100Hzで掃引され、59.3μms ^{-1 。}

スペクトル分解能を評価するために、レーザースペクトラムアナライザー（ブリストルモデル771）を使用しました。レーザースペクトラムアナライザの最小応答時間は約0.5秒であるため、検流計の周波数を0.02 Hzに下げました。これにより、完全な波長調整サイクルを記録できます。図5aに示すように、検流計の角度を変更すると、波長が不連続に変化し、モードホップが約0.5 cm ^-1 になります。 明確に識別できます。モードホップは、ARコーティングの非理想的な反射防止効果のため、主にQCLチップのFPモードに関連付けられています。モードホップ間隔を減らすために、固定角度の検流計を使用して、QCLチップのDC駆動電流にのこぎり波変調（0.02 Hz、40 mA）を追加します。のこぎり波変調による波長調整を図5bに示しました。 1つの周期で、波長はより低い波数にスムーズに調整され、0.5 cm ^-1 を補正できます。 モードホップ。ただし、波長調整は1周期で線形ではないことに注意してください。これは、QCLヒートシンクの温度変動に起因します。検流計の調整とのこぎり波変調の両方で測定されたEC-QCL波長を図5cに示しました。図5aと比較して、モードホップ間隔は0.2 cm ^-1 未満に減少しています。 。

a 検流計の電圧が20mV、調整周波数が0.02Hzで測定されたEC-QCL波長。モードホップは約0.5cm ^-1 。 b のこぎり波変調（0.02 Hz、40 mA）を使用して測定されたEC-QCL波長調整。これにより、0.5 cm ^-1 を補正できます。 モードホップ。 c 検流計の調整とのこぎり波変調の両方で測定されたEC-QCL波長

結論

要約すると、高速掃引波長EC-QCLを設計し、シングルモード選択、チューニング範囲、出力パワーなどのパフォーマンスを調査しました。時間分解ステップスキャンFTIR技術とレーザースペクトラムアナライザーを適用して、チューニング範囲とスペクトル分解能を測定しました。 EC-QCLは、135 cm ^-1 の全チューニング範囲にわたって100Hzで繰り返しスイープする可能性があります。 （約290 nm）スキャン解像度<0.2 cm ^-1 、のこぎり波変調で実現できます。 EC-QCLのCWしきい値は250mAと低く、最大電力は20.8mWでした。このデバイスの低消費電力と高速掃引波長特性により、微量ガス検知アプリケーションの有望な光源になる可能性があります。

略語

AR：

反射防止

CW：

連続波

DFB：

分散フィードバック

EC-QCL：

外部空洞量子カスケードレーザー

FTIR：

フーリエ変換赤外分光計

HR：

高い反射率

MEMS：

マイクロ電気機械システム

MIR：

中赤外線

MOCVD：

有機金属化学蒸着

P-I-V：

電力-電流-電圧

QCL：

量子カスケードレーザー

SMSR：

サイドモード抑制率

TEC：

熱電冷却器