Рисунок 2а показывает схематические диаграммы структур устройства QD и QC в форме J-образного волновода, в которых свет, распространяющийся к заднему концу устройства, отражается и подвергается двухпроходному усилению. Следовательно, он обычно используется для получения высокой мощности в BLE. Как видно в Рисунок 2а область изгиба имеет радиус кривизны 0,8 см, чтобы минимизировать оптические потери при распространении, и отклоняется от нормального направления сколотой фаски на 7 °, чтобы уменьшить отражение и подавить генерацию. Поскольку длинные устройства больше подходят для достижения большей мощности, были выбраны полости длиной 3,5 мм, состоящие из области сгиба 1 мм и прямой области 2,5 мм. Для устройств NIR-QD с помощью индуктивно-связанного плазменного сухого травления была изготовлена ​​ребристая волноводная структура шириной 5 мкм в форме J (полезная для волоконного соединения). Принимая во внимание высокий эффект удержания оптической моды и малое повреждение активной области сухим травлением, гребенчатый волновод был травлен до ~ 200 нм выше активной области КТ. В отличие от этого, для устройств MIR-QC из-за выраженного рассеяния тока сильными разрывами анизотропной электропроводности активной области многоквантовой ямы 23 гребенчатый волновод QC 'J'-формы был достаточно протравлен ~ 7 мкм влажным химическим травлением, чтобы обнажить активное ядро. Ширина гребенчатого волновода QC-BLE в форме J составляет 10 мкм. фигура 2

( a ) Принципиальные схемы устройств JD-образных устройств QD и QC. ( b ) P-I характеристики недопированных и p-допированных QD-BLE, измеренные при комнатной температуре в режиме CW. Вставки: соответствующие спектры излучения устройств QD при различных токах инжекции.

Свето-токовые характеристики устройств с нелегированной и p-легированной КТ были измерены в режиме непрерывной работы при комнатной температуре, как видно из Рисунок 2b , На вставках показаны соответствующие спектры электролюминесценции при различных токах инжекции для двух образцов. При низком токе ввода основное состояние (GS) КТ с центром на ~ 1200 нм доминирует в спектре излучения с шириной полосы спектра в несколько десятков нанометров. С увеличением тока инжекции GS постепенно приближается к насыщению, и появляется излучение в возбужденном состоянии (ES). Для нелегированного образца при токе 800 мА спектр шириной 141 нм получается из одновременного вклада GS и ES, в то время как для p-легированного QD-BLE необходим больший ток для достижения GS = Режим ES с полосой пропускания 134 нм. Более высокая максимальная мощность света, равная 21 мВт, и более высокая эффективность наклона, равная 0,056 Вт A − 1, в устройстве QD с легированным p-спектром, по сравнению с 14 мВт и 0,03 Вт A − 1, соответственно, в устройстве без легирования QD Рисунок 2b , Эти улучшения в основном связаны с усилением модального усиления в КТ за счет увеличения заселенности дырок в валентной зоне за счет введения десятков акцепторов на КТ 24 , Тем не менее, р-допинг обычно имеет тенденцию усиливать мономолекулярную (через дефекты, связанные с легирующей примесью), излучательную и оже (через увеличенную населенность) рекомбинацию 25 , 26 и среди них оже-рекомбинация является основным нерадиационным механизмом в КТ. Таким образом, было обнаружено, что ток включения увеличивается от ~ 375 мА для нелегированной QD-BLE до ~ 500 мА для p-легированной структуры. В настоящее время, хотя NIR-BLE находят все более широкое применение в приложениях обработки изображений OCT, одновременная потребность в широкой полосе пропускания и высокой выходной мощности все еще остается проблемой для таких устройств. Здесь синхронно была получена высокая CW световая мощность> 20 мВт с FWHM> 130 нм в узкополосных QD-BLE с волноводом с узким гребнем, что значительно упростит конструкцию и снизит стоимость современных систем NIR-OCT.

Устройства MIR-QC с ребристым волноводом в форме J были охарактеризованы при работе в импульсном режиме (ширина импульса 1 мкс при частоте повторения 5 кГц). Однако, в отличие от ранее обсуждавшихся QD-BLE, устройства MIR-QC демонстрировали характеристики генерации от 80 до 300 K, что указывает на то, что структура в форме J не могла обеспечить достаточно низкую отражательную способность, чтобы подавлять генерацию, чтобы позволить широкополосный суперлюминесцентный свет выход. Поскольку для устройств MIR-QC угол Брюстера рассчитан как ~ 17,4 °, для дальнейшего уменьшения отражательной способности был использован FIB для фрезерования различных углов 15 °, 17 ° и 19 ° в прямой части, как видно в Рисунок 3b , Фрезерование FIB проводили с помощью системы сканирующей электронной микроскопии Helios NanoLab 600 i FIB / с использованием тока зонда ~ 790 пА, размера шага 38,5 нм и времени выдержки 1 мкс. Грани были отфрезерованы от плоскости скола до глубины> 15 мкм, чтобы предотвратить отражение света от нижней поверхности в полость.

Рисунок 3

Изображения сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) устройств MIR до ( а ) и после ( б ) фрезерования ионным пучком.

Вставка Рисунок 4 показывает характеристики плотности тока инжекции света устройств MIR-QC с различными углами задней грани 0 °, 15 °, 17 ° и 19 °. Все измерения были выполнены при 80 K в импульсном режиме (ширина импульса 1 мкс и частота повторения 5 кГц). Пороговая плотность тока ( J th) устройства до фрезерования FIB составляет 1,3 кА см-2, а положение генерации составляет ~ 4 мкм при 80 К. После фрезерования FIB устройства с задними углами грани 15 ° и 17 ° все еще демонстрировал характеристики генерации с увеличенной J th (2 и 2,4 кА см-2) благодаря уменьшенной эффективной отражательной способности граней от угловых граней. При дальнейшем увеличении угла травления до 19 ° был получен спектр широкополосного излучения ~ 50 см-1. Обычно эффективная отражательная способность фасета светоизлучающего устройства определяется путем измерения глубины модуляции Фабри – Перо. Однако в нашей тестовой системе очень сложно принять это измерение для расчета отражательной способности, поскольку расстояние меньше, чем разрешение. Поэтому мы использовали новый метод для экспериментального получения эффективной отражательной способности фасет путем построения кривой зависимости плотности тока от коэффициента усиления материала контроля качества, которая аналогична той, которая использовалась ранее в устройствах NIR-QD. 27 , Лазеры MIR-QC в форме J с длиной резонатора 1,6, 1,7, 1,8, 2, 2,5, 3 и 3,5 мм были выбраны для изучения зависящих от длины характеристик пороговой плотности тока. Используя стандартное лазерное пороговое уравнение, модальное усиление QC как функция плотности тока инжекции было получено, как показано в Рисунок 4 , Коэффициент внутренних оптических потерь α i этого лазерного материала MIR-QC определен как ~ 2 см -1. Предполагая, что эффективная отражательная способность R 1 передней грани составляет ~ 1% 28 с использованием приведенного выше уравнения наблюдаемая пороговая плотность тока генерации устройств MIR-QC во вставке Рисунок 4 позволяют определить эффективную отражательную способность R 2 травленых углов FIB. Отражательные способности 8,4 × 10–3 и 3,0 × 10–3 рассчитываются для граней с углами 15 ° и 17 ° соответственно, а более низкая отражательная способность, равная 3,1 × 10–4, достигается в устройстве с наклоненной гранью 19 °. Отметим, что усиление активной области КК насыщается при значении ~ 20 см − 1. Чтобы достичь максимально возможной мощности, мы стремимся работать как можно ближе к этому значению, что потребовало бы объединенной эффективной отражательной способности граней <10−6 от двух граней.

Пороговое модальное усиление JC-образных QC-лазеров в зависимости от плотности тока. На вставке: характеристики плотности тока световой инжекции устройств MIR-QC с различными углами задней грани 0 °, 15 °, 17 ° и 19 °.

Мы разработали новую монолитную интегрированную волноводную структуру устройства с наклонной BLE и оптическим усилителем, чтобы обеспечить низкую отражательную способность <10-6 и излучение света с обоих концов. Учитывая, что более длинный прямой волновод может быть вредным для подавления генерации и что более длинная часть усилителя имеет улучшенное оптическое усиление, выбранная здесь структура волноводного устройства состоит из короткого прямого участка длиной 0,6 мм, за которым следует большой конусообразный участок длиной 2,4 мм. Рисунок 5а показано микроскопическое изображение вида сверху изготовленного широкополосного устройства контроля качества, в котором общий волновод длиной 3 мм наклонен на 17 ° относительно нормальной грани. Сканирующие электронные микроскопические изображения двух излучающих граней показаны на Рисунок 5б а также 5с , что указывает на то, что ширина узкой грани составляет ~ 9 мкм, а ширина широкого конца ~ 120 мкм соответственно. Для дальнейшего решения проблемы самонагревания устройства с двухканальной волноводной структурой были установлены на теплоотводе эпитаксиальной стороной вниз.

( а ) Вид сверху микроскопического изображения устройства. СЭМ-изображения узкого фасета ( b ) и широкого фасета ( c ) широкополосного устройства контроля качества.

Рисунок 6 показывает характеристики тока и света, измеренные при различных температурах от 80 до 300 K монолитного интегрированного волноводного устройства QC, где выходная мощность и спектры были собраны как с узкой, так и с широкой граней. Генерация была полностью подавлена, и широкополосное излучение света наблюдалось от граней с двойным излучением, что согласуется с результатами моделирования и результатами фибробетонных угловых фасеточных устройств. Поэтому основное требование отражательной способности 10-6 для достижения широкополосных устройств контроля качества еще раз подтверждается.

( а ) и ( в ) светотоковые характеристики широких и узких излучающих граней и ( б ) и ( г ) соответствующие спектры излучения от широких и узких излучающих граней, соответственно, измеренные в режиме работы непрерывным излучением при различных температурах от 80 до 300 К ( I = 4,5 А).

В отличие от предыдущих отчетов (большинство измерений проводилось в импульсном режиме с низким рабочим циклом ~ 0,05% 17 , 21 ), насколько нам известно, это первый раз, когда измерения выполняются в режиме CW, что имеет решающее значение для практического применения. Кроме того, оптическое излучение от наших устройств в Дьюаре было непосредственно коллимировано детектором HgCdTe с исправленной эффективностью сбора 10%.

Gmach et al. Предложили изготовление и потенциальное применение широкополосных излучателей QC MIR. 29 в 2002 году. За последние 15 лет были приложены огромные усилия для повышения производительности устройства для работы с рабочими устройствами RT-CW. Однако, поскольку существуют значительные проблемы для подавления генерации и получения широкополосного излучения света, упомянутого выше, большинство подходов всегда были за счет излучения света от одной из двух излучающих граней, что приводило к большим оптическим потерям, серьезным эффектам нагрева и низкой эффективности преобразования. , Поэтому рабочие токи (ток включения ~ 4,5 А (4 кА / см2)) были высокими, что делало работу RT-CW недостижимой 21 ,

Для наших устройств контроля качества, во-первых, о поведении излучения широкополосного света как от широкой, так и от узкой граней свидетельствует суперлинейное увеличение оптической мощности с увеличением тока и соответствующих им спектров излучения. Очень широкие токи включения 0,5 А (0,3 кА / см 2) и 1,5 А (0,9 кА / см 2) получают из широкой и узкой граней соответственно. По сравнению с ранее известными широкополосными устройствами контроля качества, низкий ток включения обусловлен меньшими оптическими потерями, что приводит к низким эффектам самонагревания. Максимальные мощности 5 и 1,2 мВт были получены от узкой и широкой граней, соответственно, при 80 К. При дальнейшем увеличении тока инжекции начинает появляться опрокидывание, как видно на Рисунок 6а а также 6с и устройство не демонстрирует генерацию для всех токов, используемых в измерениях.

Интересно, что спектральные характеристики как мощности света, так и излучения сильно отличаются от узких и широких излучающих граней устройства контроля качества. Как показано в Рисунок 6а а также 6с сила света от узкой грани намного выше, чем от широкой грани при низкой температуре, в то время как, как видно из Рисунок 6б а также 6d спектр от узкой грани также намного уже, чем от широкой грани. Для монолитного интегрированного волноводного устройства КК отражательная способность узкой грани составляет ~ 10-2, а отражательной способности широкой грани ~ 10-4. Коэффициент отражения узкой грани не является незначительным, и свет, отраженный от узкой грани, будет испытывать усиление в два прохода и выходить из широкой грани. Для узкой грани оптическая волна, распространяющаяся от конического участка к прямому участку, обеспечивает высокий уровень «затравок» для получения высокого уровня излучения суперлюминесцентного света. Примечательно, что существует отражательная способность на границе наклонных прямых и конических участков. Конусный волновод представляет собой линейно-коническую полосу, и, таким образом, может иметь место модуляция модального индекса. Поэтому прямой волновод мог играть роль резонансного резонатора. В такой полости только фотоны, удовлетворяющие условиям Фабри – Перо, значительно усиливаются и впоследствии излучаются из узкой грани. В этом процессе уровень усиления спонтанного излучения намного выше, чем у усиления двойного прохода. Экспериментальный результат, согласно которому ток включения широкой грани излучающей (0,5 А) меньше, чем ток излучения узкой грани (1,5 А), подтверждает два вышеупомянутых процесса дифференциального усиления. Однако точка генерации не достигается, поскольку низкая отражательная способность не может обеспечить достаточную обратную связь. Следовательно, по сравнению со спектром от широкой грани спектр от узкой грани имеет более высокую мощность, но меньшую FWHM. Кроме того, выходная мощность и эффективность наклона от узкой грани, очевидно, уменьшаются с 80 до 300 К. Это связано с тем, что накопление тепла может привести к увеличению показателя преломления в конусообразной секции с большей площадью. Следовательно, количество оптической волны, распространяющейся от конического участка к прямому участку, будет уменьшено, что приведет к плохой температурной стабильности по сравнению с широким фронтом.

Рисунок 6б а также 6d , показывает спектры излучения при различных температурах, снятые инфракрасным спектрометром с преобразованием Фурье в режиме пошагового сканирования с разрешением 8 см-1. Полуширинные спектры гауссовидных спектров составляют ~ 50 см -1 при 80 К и ~ 105 см -1 при 300 К с узкой грани, а шириной 6: 100 см -1 при 80 К и ~ 197 см -1 при 300 К. Все спектры имеют плоскую центральную область, что указывает на их пригодность в качестве широкополосных источников ASE. Для приложений биомедицинской визуализации в ОКТ, в дополнение к оптической мощности, длина когерентности источника играет критическую роль, потому что меньшая длина когерентности приводит к более высокому осевому разрешению трехмерных изображений.

Рисунок 7 показывает схематическое изображение для широкополосного излучателя света QC, в котором два разных типа широкополосного света излучают от двух граней. По интерферограммам излучения устройства длины когерентности от широкой грани определены как ~ 110 и ~ 35 мкм при 80 и 300 К соответственно, а длины когерентности от узкой грани составляют ~ 200 и ~ 90 мкм при 80 и 300 К соответственно. Результаты показывают, что структура излучающего устройства с двумя концами не только обеспечивает значительное продвижение к высокопроизводительным широкополосным источникам света MIR, но также обогащает разнообразие рабочих устройств. Поскольку широкополосные спектры излучения имеют гауссову форму как с узкой, так и с широкой граней, они демонстрируют хорошую пригодность в качестве широкополосных источников ASE для применения визуализации ОКТ. Например, широкополосное излучение может использоваться для систем в свободном пространстве, а узкое излучение может использоваться для волоконно-оптических систем.

Рисунок 7

Принципиальная схема двух одновременных некогерентных световых излучений в широкополосном излучателе света MIR-QC.