兆赫功率大于脊型量子串连雷射五倍的同心光栅型量子串连雷射.PDFVIP

兆赫功率大於脊型量子串連雷射五倍的同心光 柵型量子串連雷射 譯者：董冠偉 審閱教授：周哲仲 教授 （刊登日期： 2014/03/ 15 ） 原文節自於：Laser Focus World Magazine 2014 Issue02 World News 電磁頻譜操作在兆赫波段的量子串聯雷射 (QCL)常被使用在眾多的光譜研究、 通信和成像的應用中，然而，脊型波導為基礎的兆赫 QCL普遍採用 金屬 - 金屬 波導結構，造成相對低的輸出功率和大約 180度的發散光束以及多模輸出等問題 。 雖然使用外部或整合的光學元件可以獲得較小 約10的發散角，但是º 低輸出功率 和多模輸出的問題仍然存在 。 最近新加坡南洋理工大學（ NTU）和新加坡製造技術研究院 （兩者都在新加 坡），以及英國利茲大學（英國利茲），香港理工大學（香港九龍）和上海交通 大學（中國上海 ）的研究人員開發了一種 製作兆赫QCL的替代技術 ，他們採用同 心圓光柵（CCGS）的圓對稱的優勢，發展 出垂直激發的量子串連雷射不僅具有低 發散角 而且比脊型波導 QCL 功率大五倍。 研究小組使用商業 COMSOL軟體 （Burlington, MA），一種有限元素分析的 工具 ，來作數值模擬，並且用COMSOL軟體裡的二維偏微分方程的模式來優化同 心圓光柵（CCG）。 建模的過程中加入垂直激發的模態分佈計算，同心圓光柵是在上層，增益介 質是在中間，最下層是金屬層 ，並針對3.75 兆赫的波段做 了優化而設計出同心 圓光柵 。為使光柵式兆赫雷射具有最大輸出，所設計之同心圓光柵的最佳參數為 16.2微米的外環厚度和 356.7微米的總槽環直徑。 優化後的 金屬同心圓光柵是藉由三條輪幅結構方式導通在一起，來使同心圓 光柵下面的整個增益介質可以被電 流泵浦（見圖）。雷射增益介質使用 分子束磊 晶做成砷化鎵 砷化鋁鎵（/ GaAs/Al0.15Ga0.85As）的 結構。同心圓光柵結構由標 準的 光蝕 刻和剝離法所定 形 ，並且活性區進行濕式蝕刻形成圓的最終形式。 掃描電子顯微鏡（SEM）圖像顯示了所製造的同心圓光柵 （CCG）兆赫量子串連雷射（QCL）黃色; 標示的金層和同心 環可使整個光柵被電 流泵浦 。雙裂的遠場輻射分布是 CCG 兆赫量子串連雷射的典型強度分布 。 同心圓光柵 兆赫量子串連雷射的實驗分析顯 示，其最高操作溫度可達110 K 相對低於於在 130 K的傳統脊型波導量子串連雷射。然而在幾十毫瓦的峰值功率 輸出下 ，同心圓光柵兆赫量子串連雷射仍呈現穩定的單模操作（而不是 多模）， 比同等尺寸的脊型波導的兆赫量子串連雷射功率高五倍。 同心圓光柵的兆赫量子串連雷射的遠場 分布為 13.5º×7º雙波瓣形狀，這是由 於用 非等向性蝕刻的方式來製作圓形而造成活性區域的邊界形變發生 。未來只 要使用各向同性蝕刻技術（如等離子蝕刻）即可避免這個邊界變形的問題。 這項工作的主要作者，南洋理工大學助理教授Wang Qijie說： 「這種方法 開闢了 功能性光束控制的機會 ，例如 ：保持單模操作時的偏振控制、波束偏向 ， 以及特殊光束。」 南洋理工大學博士學生Liang Guozhen說：「由於圓對稱的便利，我們的設 計是簡單而易於實現的。 」，「在不久的將來，我們的目標是通過消除雷射邊界 形變 來實現環形 分布且徑向偏振的 光激發。」，「當需要高效耦合 兆赫波到兆赫 金屬線波導或兆赫波近場成像系統中金屬探針時 ，這種光源是非常有用的 。此外， 還可以通過進一步優化同心圓光柵結構實現較窄且單 一分布的遠場圖形。」