本文报道了一种宽可调谐单模量子级联激光器的实验演示，该激光器具有非对称马赫-曾德尔（AMZ）干涉仪型腔和独立偏置臂。因此，AMZ型腔的两个臂的电流和温度调谐导致在80 K的连续波模式下工作的单模调谐范围为20 cm-1，比单偏置电流下的激光器提高了10倍。此外还观察到，与一个偏置电流控制的AMZ腔相比，调谐速率增加了五倍。
带有独立偏置臂的非对称马赫-曾德尔干涉仪型腔的量子级联激光器宽单模调谐
量子级联（QC）激光器是一种强大而紧凑的半导体光源。在中红外波段，它们是目前分子传感中基于吸收的光谱系统中非常有利的光源。由于这些系统利用了不同气体分子的强而窄的吸收线，它们要求QC激光器在单模下工作，并且是连续的，广泛可调的。研究并实现了实现波长选择性和可调性的不同方法。直到zui近，大多数QC激光器的单模操作已经通过在常规Fabry-Perot QC激光器的顶部合并周期性光栅实现，例如分布式反馈光栅或分布式布拉格反射器。然而，需要在波长尺度上精确的周期结构需要更复杂的制造步骤（例如，电子束光刻），通常导致更高的成本和更低的产量。机械可移动光栅集成到外腔，使单模调谐范围宽然而，在这种配置中，波长选择和调谐需要系统集成和光学校准。因此，用简单的制造步骤就能实现单模发射的空腔是人们所需要的，并且已经用不同的几何形状进行了研究，例如直耦合法布里珀罗空腔和折叠法布里珀罗空腔。非对称MachZehnder （AMZ）干涉仪是波长选择性的理想选择，已广泛应用于光纤激光器zui近，一种新型的腔体设计，将AMZ干涉仪单片集成在QC激光器中，已经报道了单模工作，侧模抑制比（SMSR）为35dB。然而，这种设备的连续调谐被限制在20cm-1。
报告一种通过设计干涉仪的两个臂具有单独的金属触点来改善AMZ QC激光器十倍调谐的方法；这样的设计允许不同的电流应用到两个臂上，这使得局部温度，因此两个臂的模态折射率可以独立调谐。此外，这样的调谐结构允许在两个臂上有更广泛的相位关系，从而允许激光在两个臂上的单个偏置电流无法获得的波长下发射。
图1
图1(A)显示了包含独立金属触点的AMZ干涉仪型腔设计的示意图。与参考文献14类似，该腔由连接两个直脊波导的AMZ干涉仪结构组成。将直脊波导连接到AMZ干涉仪臂上的局部对称y分路器结构旨在大限度地减少耦合损失。在这种腔中选择激光模式是基于三个因素：介质的光学增益分布、腔的FabryPerot （FP）模式和AMZ干涉仪的透射谱。
采用参考文献中讨论的基于超强耦合设计的QC激光材料，采用标准脊激光加工技术制造出了具有AMZ干涉仪型腔体的QC激光器。所制备器件的光学显微镜图像如图1(b)所示。所有制造器件的脊宽为8.0 ± 0.2 um，臂长差为350 ~ 500 um。两个触点之间的分离距离为50um。用不同的直流光源对干涉仪的两个臂进行偏置，用傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）在80k下测量激光光谱。具有较低阈值电流密度的器件在脉冲模式（100 ns脉冲宽度，80 kHz重复率）和连续波（CW）模式下均表现为单模工作。图2(a)的顶板显示了500 um、总腔长（l1 + L2 + Lridge）为3.45 mm的激光的亚阈值放大自发发射光谱。
光谱包络线的周期性为7 cm-1，对应于AMZ干涉仪的透射光谱周期。亚阈值光谱中非常强模式对应的模式发生激光，对应2073 cm-1，如图2(a)底部面板所示。在相同的脉冲电流下，典型的分离触点AMZ QC激光器的脉冲光电流-电压（LIV）特性（如图2(b)所示）表明，该器件的阈值电流密度（1.6 kA/cm2），面对面长度为1.8 mm，大约是具有单触点14的AMZ QC激光器（0.8 kA/cm2），面对面长度为2.5 mm的两倍。阈值电流密度的增加是由于单独偏置器件的面到面长度的减小。这也可以部分归因于额外的散射损失和两个区域的光学增益系数的降低，这两个区域缺乏金属接触，因此缺乏电泵浦。图2(b)的插入部分显示了另一种350 um装置的CW-LIV特性，其峰值功率为90 mW。
图2
这些激光器的单模调谐是通过改变直流电流来实现的。在相同直流偏置电流下，两条臂的激光光谱如图3(a)所示。观察到的高SMSR接近30 dB，而典型的SMSR为25 dB。模跳自由调谐范围很小2 cm-1），以亚阈值频谱中强的模为中心。额外的波长通过大的模式跳到达。
然而，在调整第二臂的直流电流的同时，通过将直脊波导的一只手臂保持在高于阈值的恒定直流电流，可以达到zui初错过的模式，如图3(b)所示，其中显示了以前无法达到的2075 cm-1至2084 cm-1之间的模式。使用这种配置，可以实现大范围的单模调谐，如图4所示。如图虚线所示，发射波长可以在10 cm-1范围内连续调谐。此外，虚线的斜率显示了0.03 um/kA/cm2的调谐速率，这比均匀泵送装置的调谐速率快5倍这与理论预测一致，理论预测表明速率至少是三倍快，因为臂2的长度L2大约是臂长差DL的三倍。单独触点的额外更快的调谐速率源于这样一个事实，即与施加于整个激光器的相同电流引起的温度梯度DT相比，施加于臂2的电流引起的温度DT2变化更大。
图3
尽管对于单独偏置的调谐配置仍然存在模式跳，但是一旦发射模式跳到更高的波数，调谐第二臂允许访问在跳期间错过的较低波数的模式。
臂1中在较高电流下向较低波长的偏移可能是增益蓝移（由于较高的施加电压）以及由于较高的连续波电流引起的较高温度而导致的增益展宽的综合效应的结果。使用查找表中两个直流电流的不同配置，单模发射几乎可以连续调谐到20 cm-1。
图4
总之，我们证明了通过在干涉仪的两个臂上使用单独的金属触点，具有AMZ干涉仪型腔的QC激光器的调谐范围提高了10倍，调谐速率提高了5倍。臂长差为500 um的激光器在80k下，在单独的电偏压下，在臂1的100 mA电流范围内和臂2的150 mA z大电流范围内进行了激光光谱测量。调谐范围为20 cm-1，比单触点AMZ QC激光器提高了10倍。
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