Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Nghiên cứu thực nghiệm về độ ồn trong các laser cascade lượng tử hồng ngoại giữa của các thiết kế khác nhau
Tóm tắt
Chúng tôi trình bày một nghiên cứu thực nghiệm về độ ồn trong các laser cascade lượng tử (QCL) hồng ngoại giữa với các thiết kế khác nhau. Bằng cách định lượng mức độ tương quan cao giữa các biến thể của tần số quang và điện áp giữa các đầu QCL, chúng tôi chỉ ra rằng độ ồn điện là một phương pháp mạnh mẽ và đơn giản để nghiên cứu độ ồn trong các QCL. Dựa trên kết quả này, chúng tôi đã điều tra độ ồn điện trong một tập hợp lớn gồm 22 QCL phát ra trong khoảng 7,6–8 μm và bao gồm cả laser dạng kênh rãnh và cấu trúc bất đối xứng chôn ngầm (BH) với các thiết kế hình học và thông số vận hành khác nhau. Từ việc xử lý dữ liệu thống kê dựa trên phân tích phương sai, chúng tôi đánh giá rằng laser dạng kênh rãnh có độ ồn thấp hơn so với laser BH. Giải thích vật lý của chúng tôi là sự rò rỉ dòng điện bổ sung hoặc các kênh tiêm phụ xảy ra tại giao diện giữa vùng hoạt động và lớp cách điện bên trong hình học BH, điều này tạo ra một số độ ồn bổ sung. Ngoài ra, các tiếp điểm loại Schottky xuất hiện tại giao diện giữa các vùng n-doped và lớp cách điện bên, tức là InP được pha tạp sắt, cũng được cho là nguồn gốc tiềm năng gây ra độ ồn bổ sung trong một số laser BH, như được quan sát từ sự giảm nhẹ trong độ ồn điện áp tích hợp quan sát được tại ngưỡng laser trong một số BH-QCL.
Từ khóa
#laser cascade lượng tử #độ ồn #lớp cách điện bên #cấu trúc bất đối xứng chôn ngầm #phân tích phương saiTài liệu tham khảo
J. Faist, F. Capasso, D.L. Sivco, C. Sirtori, A.L. Hutchinson, A.Y. Cho, Quantum cascade lasers. Science 264, 553–556 (1994)
A. Gambetta, D. Gatti, A. Castrillo, N. Coluccelli, G. Galzerano, P. Laporta, L. Gianfrani, M. Marangoni, Comb-assisted spectroscopy of CO2 absorption profiles in the near- and mid-infrared regions. Appl. Phys. B 109(3), 385–390 (2012)
S. Borri, I. Galli, F. Cappelli, A. Bismuto, S. Bartalini, P. Cancio, G. Giusfredi, D. Mazzotti, J. Faistd, P. De Natale, Direct link of a mid-infrared QCL to a frequency comb by optical injection. Opt. Lett. 37, 1011–1013 (2012)
A.A. Mills, D. Gatti, J. Jiang, C. Mohr, W. Mefford, L. Gianfrani, M. Fermann, I. Hartl, M. Marangoni, Coherent phase lock of a 9 μm quantum cascade laser to a 2 μm thulium optical frequency comb. Opt. Lett. 37, 4083–4085 (2012)
A. Gambetta, D. Gatti, A. Castrillo, G. Galzerano, P. Laporta, L. Gianfrani, M. Marangoni, Mid-infrared quantitative spectroscopy by comb-referencing of a quantum-cascade-laser: application to the CO2 spectrum at 4.3 μm. Appl. Phys. Lett. 99(25), 251107 (2011)
P.L.T. Sow, S. Mejri, S.K. Tokunaga, O. Lopez, A. Goncharov, B. Argence, C. Chardonnet, A. Amy-Klein, C. Daussy, B. Darqui, A widely tunable 10 μm quantum cascade laser phase-locked to a state-of-the-art mid-infrared reference for precision molecular spectroscopy. Appl. Phys. Lett. 104, 264101 (2014)
S. Bartalini, S. Borri, P. Cancio, A. Castrillo, I. Galli, G. Giusfredi, D. Mazzotti, L. Gianfrani, P. De Natale, Observing the intrinsic linewidth of a quantum-cascade laser: beyond the Schawlow–Townes limit. Phys. Rev. Lett. 104, 083904 (2010)
T. Aellen, R. Maulini, R. Terazzi, N. Hoyler, M. Giovaninni, S. Blaser, L. Hvozdara, J. Faist, Direct measurement of the linewidth enhancement factor by optical heterodyning of an amplitude-modulated quantum cascade laser. Appl. Phys. Lett. 89, 091121 (2006)
T.L. Myers, R.M. Williams, M.S. Taubman, C. Gmachl, F. Capasso, D.L. Sivco, J.N. Baillargeon, A.Y. Cho, Free-running frequency stability of mid-infrared quantum cascade lasers. Opt. Lett. 27(3), 170–172 (2002)
L. Tombez, J. Di Francesco, S. Schilt, G. Di Domenico, J. Faist, P. Thomann, D. Hofstetter, Frequency noise of free-running 4.6 µm DFB quantum cascade lasers near room temperature. Opt. Lett. 36(16), 3109–3111 (2011)
S. Bartalini, S. Borri, I. Galli, G. Giusfredi, D. Mazzotti, T. Edamura, N. Akikusa, M. Yamanishi, P. De Natale, Measuring frequency noise and intrinsic linewidth of a room-temperature DFB quantum cascade laser. Opt. Express 19(19), 17996–18003 (2011)
L. Tombez, S. Schilt, J. Di Francesco, P. Thomann, D. Hofstetter, Temperature dependence of the frequency noise in a mid-IR DFB quantum cascade laser from cryogenic to room temperature. Opt. Express 20(7), 6851–6859 (2012)
M. Yamanishi, T. Hirohata, S. Hayashi, K. Fujita, K. Tanaka, Electrical flicker-noise generated by filling and emptying of impurity states in injectors of quantum cascade lasers. J. Appl. Phys. 116, 183106 (2014)
S. Borri, S. Bartalini, P.C. Pastor, I. Galli, G. Giusfredi, D. Mazzotti, M. Yamanishi, P. De Natale, Frequency-noise dynamics of mid-infrared quantum cascade lasers. IEEE J. Quantum Electron 47, 984–988 (2011)
L. Tombez, S. Schilt, D. Hofstetter, T. Südmeyer, Active linewidth-narrowing of a mid-IR quantum cascade laser without optical reference. Opt. Lett. 38(23), 5079–5082 (2013)
K. Knabe, P.A. Williams, F.R. Giorgetta, C.M. Armacost, S. Crivello, M.B. Radunsky, N.R. Newbury, Frequency characterization of a swept- and fixed-wavelength external-cavity quantum cascade laser by use of a frequency comb. Opt. Express 20, 12432–12442 (2012)
R.M. Williams, J.F. Kelly, J.S. Hartman, S.W. Sharpe, M.S. Taubman, J.L. Hall, F. Capasso, C. Gmachl, D.L. Sivco, J.N. Baillargeon, A.Y. Cho, Kilohertz linewidth from frequency-stabilized mid-infrared quantum cascade lasers. Opt. Lett. 24, 1844–1846 (1999)
F. Cappelli, I. Galli, S. Borri, G. Giusfredi, P. Cancio, D. Mazzotti, A. Montori, N. Akikusa, M. Yamanishi, S. Bartalini, P. De Natale, Subkilohertz linewidth room-temperature mid-infrared quantum cascade laser using a molecular sub-Doppler reference. Opt. Lett. 37, 4811–4813 (2012)
M.S. Taubman, T.L. Myers, B.D. Cannon, R.M. Williams, F. Capasso, C. Gmachl, D.L. Sivco, A.Y. Cho, Frequency stabilization of quantum-cascade lasers by use of optical cavities. Opt. Lett. 27, 2164–2166 (2002)
E. Fasci, N. Coluccelli, M. Cassinerio, A. Gambetta, L. Hilico, L. Gianfrani, P. Laporta, A. Castrillo, G. Galzerano, Narrow-linewidth quantum cascade laser at 8.6 μm. Opt. Lett. 39(16), 4946–4949 (2014)
I. Sargachev, R. Maulini, A. Bismuto, S. Blaser, T. Gresch, Y. Bidaux, A. Müller, S. Schilt, T. Südmeyer, All-electrical frequency noise reduction and linewidth narrowing in quantum cascade lasers. Opt. Lett. 39(22), 6411–6414 (2014)
A.L. McWorther, “1/f noise and germanium surface properties”, in Semiconductor Surface Physics, ed. by R.H. Kingston (University of Pennsylvania, Philadelphia, 1957), pp. 207–228
F.N. Hooge, 1/f noise is no surface effect. Phys. Lett. A 29, 139–140 (1969)
J. Faist, D. Hofstetter, M. Beck, T. Aellen, M. Rochat, S. Blaser, Bound-to-continuum and two-phonon resonance, quantum-cascade lasers for high duty cycle, high-temperature operation. Quantum Electron Lett. 38, 533–546 (2002)
L. Tombez, S. Schilt, J. Di Francesco, T. Führer, B. Rein, T. Walther, G. Di Domenico, D. Hofstetter, P. Thomann, Linewidth of a quantum cascade laser assessed from its frequency noise spectrum and impact of the current driver. Appl. Phys. B 109(3), 407–414 (2012)
E. Rubiola, F. Vernotte, The cross-spectrum experimental method http://arxiv.org/abs/1003.0113
T. Aellen, S. Blaser, M. Beck, D. Hofstetter, J. Faist, E. Gini, Continuous-wave distributed-feedback quantum-cascade lasers on a Peltier cooler. Appl. Phys. Lett. 83, 1929 (2003)
L. Tombez, S. Schilt, G. Di Domenico, S. Blaser, A. Muller, T. Gresch, B. Hinkov, M. Beck, J. Faist, D. Hofstetter, Physical Origin of Frequency Noise and Linewidth in Mid-IR DFB Quantum Cascade Lasers. CLEO. San Jose, USA; June 9–14, 2013, oral #CM1 K.3
L. Tombez, F. Cappelli, S. Schilt, G. Di Domenico, S. Bartalini, D. Hofstetter, Wavelength tuning and thermal dynamics of continuous-wave mid-IR distributed feedback quantum cascade laser. Appl. Phys. Lett. 103(3), 031111–031115 (2013)
http://www.r-project.org/
H.H. Güttler, J.H. Werner, Influence of barrier inhomogeneities on noise at Schottky contacts. Appl. Phys. Lett. 56, 1113 (1990)
G. Letal, S. Smetona, R. Mallard, J. Matukas, V. Palenskis, S. Pralgauskaite, Reliability and low-frequency noise measurements of InGaAsP multiple quantum well buried-heterostructure lasers. J. Vac. Sci. Technol. A 20(3), 1061–1066 (2002)
W.H. Richardon, Y. Yamamoto, Quantum correlation between the junction-voltage fluctuation and the photon-number fluctuation in a semiconductor laser. Phys. Rev. Lett. 66(15), 1963–1966 (1991)
R.E. Bartolo, C.K. Kirkendall, V. Kupershmidt, S. Siala, Achieving narrow linewidth, low phase noise external cavity semiconductor lasers through the reduction of 1/f noise, Proceedings SPIE 6133, Novel In-Plane Semiconductor Lasers V, 61330I (22 Feb 2006)
R. Hakimi, M.-C. Amman, Reduction of 1/f carrier noise in InGaAsP-InP heterostructures by sulphur passivation of facets. Semicond. Sci. Technol. 12, 778–780 (1997)
Y. Dai, J. Shi, X. Zhang, J. Shi, E. Jin, A study of optical noise measurements as a reliability estimation for laser diodes. Microelectron. Reliab. 35(4), 731–734 (1995)
A. Dandridge, H.F. Taylor, Correlation of low-frequency intensity and frequency fluctuations in GaAlAs lasers. IEEE J. Quantum Electron. 18(10), 1738–1750 (1982)
I.A. Garmash. V.N. Morozov, A.T. Semenov, M.A. Sumarokov, V.R. Shidlovskii, Leakage currents and 1/f noise in buried InGaAsP-InP heterostructure lasers. J. Quantum Electron. 20 (8), (1990)
A. Dandridge, H.F. Taylor, Noise and correlation effects in GaAlAs broad-band sources. J. Lightwave Technol. 5(5), 689–693 (1987)