具有低時間相幹性和高空間相幹性的超發光光源具有許多工業(ye) 和醫療国产成人在线观看免费网站。特別是，這種近紅外光源已被用於(yu) 光學相幹層析成像(OCT)，用於(yu) 人眼內(nei) 部結構的高分辨率和橫斷麵層析成像實時成像。將OCT擴展到中紅外(mid-IR)將有可能將生物醫學成像擴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吸收光譜的化合物。中紅外OCT係統也可以用於(yu) 工業(ye) 過程監控。然而，由於(yu) 缺乏合適的中紅外超發光光源，這種中紅外成像係統尚不存在。
高功率螺旋腔量子級聯超發光發射器
量子級聯(QC)器件在中紅外中表現出潛在的超發光光源。然而，由於(yu) 子帶間躍遷的非輻射載流子壽命短，導致自發輻射較低，因此在QC器件中實現毫瓦的超發光(SL)功率是具有挑戰性的。在2 mm長的法布裏-珀羅腔中用濕蝕刻麵代替一個(ge) 鏡麵，在10 K下的峰值光功率為(wei) 25 μW。光功率不足阻礙了這種光源的實際国产成人在线观看免费网站。雖然存在強大的寬帶QC激光器，但激光引起的長相幹長度會(hui) 降低OCT係統中的圖像分辨率。zui近，通過采用帶有Si3N4抗反射塗層的圓形濕接後麵和17°傾(qing) 斜劈裂前麵，在250 K下實現了~10 mW的峰值SL功率。然而，這些發射器的長度為(wei) 8毫米，這限製了這些設備的緊湊性。這一限製限製了實現更長的器件產(chan) 生更高的SL功率，因為(wei) z大可達到的SL功率隨著器件長度的增加近似線性增加。
我們(men) 展示了一種螺旋腔設計，它結構緊湊，可以在不需要更大芯片麵積的情況下製造更長的器件。由於(yu) 我們(men) 目前的電源限製了這些設備的室溫操作，因此所有測量都在80 K到250 K之間進行。在250k下，用12mm長的螺旋腔實現了~ 57mw的輸出功率。研究表明，z大放大自發發射(ASE)輸出強度可近似為(wei)
由於(yu) ASE的輸出強度與(yu) 腔的長度成線性比例，因此越長的器件將產(chan) 生更多的功率。此外，背麵和正麵的反射率可以z小化，以達到所需的ASE輸出功率。具有大彎曲半徑的螺旋腔(與(yu) 線性腔相反)因此可以促進更緊湊的製造更長的器件。
圖1
中紅外超發光螺旋腔設計如圖1(a)所示。所述螺旋內(nei) 端連接有圓形濕蝕刻麵，外端連接有17°角的直段，具有劈開麵。z小螺旋半徑選擇為(wei) ~380 μm，可以忽略彎曲損失。製作了兩(liang) 種長度的空腔，8mm和12mm。對於(yu) 8mm器件，17°角直脊的長度為(wei) ~950 μm， ~1325 μm適用於(yu) 12mm設備。這兩(liang) 個(ge) 波導的寬度為(wei) ~25 μm，深度為(wei) ~6 μm，深到足以暴露有源核心，同時在有源區域的蝕刻背麵保持一個(ge) 斜率，以將入射光反射到基片上，並通過其彎曲的壁散射入射光。此外，它還塗有1.2 μm的Si3N4，以進一步抑製來自背麵的光反饋。通過比較兩(liang) 個(ge) 4mm長的Fabry-Perot (FP)腔的閾值電流密度和獨立測量的淨增益，實驗確定了具有抗反射(AR)塗層的這種麵的反射率為(wei) ~10−5，其中一個(ge) 具有兩(liang) 個(ge) 劈裂麵，另一個(ge) 具有劈裂的前麵和濕蝕刻ar塗層的後麵。17°角脊波導(如圖1(b)所示)用於(yu) 抑製來自前切麵的殘餘(yu) 反射，據報道其反射率約為(wei) ~10−2。
圖2
本文采用的QC有源芯設計基於(yu) 超強耦合方案，在80 K時發射波長為(wei) ~5 μm。該器件采用標準脊激光加工工藝製備:波導采用光刻工藝，濕蝕刻至~6 μm深;采用等離子體(ti) 增強化學氣相沉積(PECVD)法製備了1.2 μm的Si3N4;采用光刻和反應蝕刻(RIE)技術在空腔頂部(不包括背麵)打開了寬度約18 μm的接觸窗;接觸模式再次通過光刻技術定義(yi) ，通過電子束蒸發從(cong) 三個(ge) 不同角度沉積30/300 nm的Ti/Au頂部金屬接觸，以確保覆蓋在螺旋形腔的所有側(ce) 壁上。取下後，將襯底薄至~200 μm，通過電子束蒸發沉積20/200 nm的Ge/Au底金屬接觸層。然後將器件安裝在外延側(ce) 的銅散熱器上。
圖3
由於(yu) 前麵傾(qing) 斜，采用遠場測量來確定發射角。如圖1(c)所示，8毫米和12毫米器件的遠場測量是在低於(yu) 閾值的條件下進行的，溫度為(wei) ~2.6 A，溫度為(wei) 80 K，使用液氮冷卻的HgCdTe探測器。與(yu) 先前報道的器件一致，兩(liang) 種器件的光發射在正角方向上呈現兩(liang) 個(ge) 峰，8mm和12mm器件的半z大全寬(FWHM)分別為(wei) ~15°和~ 35°。在將器件旋轉到與(yu) 其各自的峰值發射相對應的角度後，這些器件的光、電流和電壓(LIV)特性在脈衝(chong) 模式下以電流脈衝(chong) 寬度進行100納秒，重複頻率5千赫。通過一對ZnSe透鏡，將器件的光發射準直並聚焦到室溫的HgCdTe探測器上。兩(liang) 種器件在不同溫度下的LI特性如圖2所示，其中“X”標誌著激光閾值，這是由它們(men) 相應的光譜確定的。典型的8mm長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，在低於(yu) 激光閾值的~20 mA處觀察到~30 mW的SL功率。根據式(1)，由於(yu) 長度增加了50%，12mm器件的性能應該比8mm器件高50%。事實上，z好的12毫米設備比8毫米設備發出的能量要大得多。它在所有溫度下都發出> 20兆瓦的SL功率。在200 K以上，在低於(yu) 激光的~20 mA下可獲得~57 mW的SL功率。與(yu) 先前報道的器件相比，螺旋腔中的光發射從(cong) ASE到激光的過渡更加平滑。在低於(yu) 閾值~20 mA時，提取了兩(liang) 個(ge) 器件在不同溫度下的SL功率，並繪製在圖3中。由於(yu) 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。因此，由於(yu) 超出了我們(men) 當前供電單元的技術限製，因此不報告250 K以上溫度下的SL功率。
圖4
對於(yu) OCT的潛在成像国产成人在线观看免费网站，中紅外光源的相幹長度除了具有高光功率發射外也起著重要作用。由於(yu) 相幹長度決(jue) 定了三維圖像的深度分辨率，因此需要較小的相幹長度高質量成像。對於(yu) 具有寬高斯譜的理想源，相幹長度由給出。
其中λ為(wei) 中心波長，Δλ為(wei) FWHM。因此，在中紅外區域較長的波長處，為(wei) 了保持相同的相幹長度，光譜寬度必須顯著增加。
用分辨率為(wei) 0.125 cm−1的傅裏葉變換紅外光譜儀(yi) (FTIR)在快速掃描模式下拍攝發射光譜，在與(yu) LIV表征相同的操作條件下確定激光閾值。圖4 (a)顯示了兩(liang) 種器件在低於(yu) 閾值~20 mA時在80 K下拍攝的光譜，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幹涉圖。4 (b).在80k的z大ASE功率下，兩(liang) 種器件的FWHM均為(wei) ~47 cm−1的高斯形光譜。平滑的光譜表明發射器確實低於(yu) 閾值。通過幹涉圖確定了8 mm和12 mm器件的相幹長度分別為(wei) ~112μm和~127μm。在較高的溫度下，由於(yu) ASE光譜的展寬，預計相幹長度會(hui) 更小。在250 K時，8 mm和12 mm長的器件分別觀察到FWHM為(wei) 63 cm−1和56 cm−1的高斯形光譜(圖4 (c))，從(cong) 相應的幹涉圖中提取的相幹長度為(wei) ~94μm和~107μm(圖4 (d))。相幹長度也繪製為(wei) 200k下12mm長的器件峰值功率的函數，如圖5所示，其中“X”表示激光閾值。相幹長度隨著功率的增加而增加的原因是由於(yu) 泵浦電流的增加而產(chan) 生的增益變窄。總的來說，相幹長度在輸出功率從(cong) ~20 mW到~118 mW的閾值附近發生了微小的變化(~11µm，~10%)。在閾值以下，從(cong) ~20 mW到~57 mW，相幹長度僅(jin) 增加了~4μm，使其成為(wei) 不需要小於(yu) ~115μm深度分辨率的成像材料的穩定源。
圖5
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