具有低时间相干性和高空间相干性的超发光光源具有许多工业和医疗应用。特别是，这种近红外光源已被用于光学相干层析成像(OCT)，用于人眼内部结构的高分辨率和横断面层析成像实时成像。将OCT扩展到中红外(mid-IR)将有可能将生物医学成像扩展到癌组织和胶原酰胺、磷酸盐和碳酸盐等在中红外具有强吸收光谱的化合物。中红外OCT系统也可以用于工业过程监控。然而，由于缺乏合适的中红外超发光光源，这种中红外成像系统尚不存在。
高功率螺旋腔量子级联超发光发射器
量子级联(QC)器件在中红外中表现出潜在的超发光光源。然而，由于子带间跃迁的非辐射载流子寿命短，导致自发辐射较低，因此在QC器件中实现毫瓦的超发光(SL)功率是具有挑战性的。在2 mm长的法布里-珀罗腔中用湿蚀刻面代替一个镜面，在10 K下的峰值光功率为25 μW。光功率不足阻碍了这种光源的实际应用。虽然存在强大的宽带QC激光器，但激光引起的长相干长度会降低OCT系统中的图像分辨率。zui近，通过采用带有Si3N4抗反射涂层的圆形湿接后面和17°倾斜劈裂前面，在250 K下实现了~10 mW的峰值SL功率。然而，这些发射器的长度为8毫米，这限制了这些设备的紧凑性。这一限制限制了实现更长的器件产生更高的SL功率，因为z大可达到的SL功率随着器件长度的增加近似线性增加。
我们展示了一种螺旋腔设计，它结构紧凑，可以在不需要更大芯片面积的情况下制造更长的器件。由于我们目前的电源限制了这些设备的室温操作，因此所有测量都在80 K到250 K之间进行。在250k下，用12mm长的螺旋腔实现了~ 57mw的输出功率。研究表明，z大放大自发发射(ASE)输出强度可近似为
由于ASE的输出强度与腔的长度成线性比例，因此越长的器件将产生更多的功率。此外，背面和正面的反射率可以z小化，以达到所需的ASE输出功率。具有大弯曲半径的螺旋腔(与线性腔相反)因此可以促进更紧凑的制造更长的器件。
图1
中红外超发光螺旋腔设计如图1(a)所示。所述螺旋内端连接有圆形湿蚀刻面，外端连接有17°角的直段，具有劈开面。z小螺旋半径选择为~380 μm，可以忽略弯曲损失。制作了两种长度的空腔，8mm和12mm。对于8mm器件，17°角直脊的长度为~950 μm， ~1325 μm适用于12mm设备。这两个波导的宽度为~25 μm，深度为~6 μm，深到足以暴露有源核心，同时在有源区域的蚀刻背面保持一个斜率，以将入射光反射到基片上，并通过其弯曲的壁散射入射光。此外，它还涂有1.2 μm的Si3N4，以进一步抑制来自背面的光反馈。通过比较两个4mm长的Fabry-Perot (FP)腔的阈值电流密度和独立测量的净增益，实验确定了具有抗反射(AR)涂层的这种面的反射率为~10−5，其中一个具有两个劈裂面，另一个具有劈裂的前面和湿蚀刻ar涂层的后面。17°角脊波导(如图1(b)所示)用于抑制来自前切面的残余反射，据报道其反射率约为~10−2。
图2
本文采用的QC有源芯设计基于超强耦合方案，在80 K时发射波长为~5 μm。该器件采用标准脊激光加工工艺制备:波导采用光刻工艺，湿蚀刻至~6 μm深;采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法制备了1.2 μm的Si3N4;采用光刻和反应蚀刻(RIE)技术在空腔顶部(不包括背面)打开了宽度约18 μm的接触窗;接触模式再次通过光刻技术定义，通过电子束蒸发从三个不同角度沉积30/300 nm的Ti/Au顶部金属接触，以确保覆盖在螺旋形腔的所有侧壁上。取下后，将衬底薄至~200 μm，通过电子束蒸发沉积20/200 nm的Ge/Au底金属接触层。然后将器件安装在外延侧的铜散热器上。
图3
由于前面倾斜，采用远场测量来确定发射角。如图1(c)所示，8毫米和12毫米器件的远场测量是在低于阈值的条件下进行的，温度为~2.6 A，温度为80 K，使用液氮冷却的HgCdTe探测器。与先前报道的器件一致，两种器件的光发射在正角方向上呈现两个峰，8mm和12mm器件的半z大全宽(FWHM)分别为~15°和~ 35°。在将器件旋转到与其各自的峰值发射相对应的角度后，这些器件的光、电流和电压(LIV)特性在脉冲模式下以电流脉冲宽度进行100纳秒，重复频率5千赫。通过一对ZnSe透镜，将器件的光发射准直并聚焦到室温的HgCdTe探测器上。两种器件在不同温度下的LI特性如图2所示，其中“X”标志着激光阈值，这是由它们相应的光谱确定的。典型的8mm长器件在激光前的所有温度下均可获得> 5mw的SL功率。在200 K以上，在低于激光阈值的~20 mA处观察到~30 mW的SL功率。根据式(1)，由于长度增加了50%，12mm器件的性能应该比8mm器件高50%。事实上，z好的12毫米设备比8毫米设备发出的能量要大得多。它在所有温度下都发出> 20兆瓦的SL功率。在200 K以上，在低于激光的~20 mA下可获得~57 mW的SL功率。与先前报道的器件相比，螺旋腔中的光发射从ASE到激光的过渡更加平滑。在低于阈值~20 mA时，提取了两个器件在不同温度下的SL功率，并绘制在图3中。由于激光阈值随温度的升高而增大，在较高温度下观察ASE需要较大的电流。因此，由于超出了我们当前供电单元的技术限制，因此不报告250 K以上温度下的SL功率。
图4
对于OCT的潜在成像应用，中红外光源的相干长度除了具有高光功率发射外也起着重要作用。由于相干长度决定了三维图像的深度分辨率，因此需要较小的相干长度高质量成像。对于具有宽高斯谱的理想源，相干长度由给出。
其中λ为中心波长，Δλ为FWHM。因此，在中红外区域较长的波长处，为了保持相同的相干长度，光谱宽度必须显著增加。
用分辨率为0.125 cm−1的傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)在快速扫描模式下拍摄发射光谱，在与LIV表征相同的操作条件下确定激光阈值。图4 (a)显示了两种器件在低于阈值~20 mA时在80 K下拍摄的光谱，图4 (a)显示了在16 cm−1分辨率的阶跃扫描模式下拍摄的相应干涉图。4 (b).在80k的z大ASE功率下，两种器件的FWHM均为~47 cm−1的高斯形光谱。平滑的光谱表明发射器确实低于阈值。通过干涉图确定了8 mm和12 mm器件的相干长度分别为~112μm和~127μm。在较高的温度下，由于ASE光谱的展宽，预计相干长度会更小。在250 K时，8 mm和12 mm长的器件分别观察到FWHM为63 cm−1和56 cm−1的高斯形光谱(图4 (c))，从相应的干涉图中提取的相干长度为~94μm和~107μm(图4 (d))。相干长度也绘制为200k下12mm长的器件峰值功率的函数，如图5所示，其中“X”表示激光阈值。相干长度随着功率的增加而增加的原因是由于泵浦电流的增加而产生的增益变窄。总的来说，相干长度在输出功率从~20 mW到~118 mW的阈值附近发生了微小的变化(~11µm，~10%)。在阈值以下，从~20 mW到~57 mW，相干长度仅增加了~4μm，使其成为不需要小于~115μm深度分辨率的成像材料的稳定源。
图5
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