量子级联（QC）激光器已经发展成为高功率器件。然而，从这些设备收集的Max功率通常取决于光束的稳定性，在某些情况下，已经发现光束随时间随机波动并在平面上转向。这些波动，即指向不稳定性，归因于空腔内多个横向模式或侧孔燃烧的相互作用横向模式控制方面的工作以前也有报道。
用横模控制抑制量子级联激光器的指向不稳定性
以前我们报道了QC激光器的模态不稳定性和光束转向使用固定NA（0.87）检测器，我们发现脉冲不稳定器件的脉冲平均接收功率降低高达20%。在脉冲内不同栅极位置获得的空间相关光谱表明，在横向模式之间存在频率锁定，而远场强度分布的时间分辨测量显示，光束在平面上转向了10°。现在我们提出了一种在QC激光器中抑制指向不稳定性的方法，该方法涉及通过窄、短（仅占腔长度的百分之几）和高损耗的脊波导收缩来控制横向模式。这个想法是对分布在激光脊两侧的模式引入足够的扰动，同时保持基本模式不变。收缩对器件的影响如图1所示，图1显示了用COMSOL MULTIPHYSICS获得的腔模式模拟。模拟了两种装置的横截面，一种是传统的脊结构，另一种是狭窄的阶梯脊结构。在这两种情况下，波长和脊宽分别保持在4.6 um和13 um。
图1
在原始的无扰动腔结构中，模态被强烈地限制在活动芯内，一阶和二阶模态的计算损失分别为0.24 cm-1和0.5 cm-1。当两个pt填充的沟槽延伸到活动岩心的正上方时，计算的损耗在一阶和二阶模式下分别增加到6.3 cm-1和18.5 cm-1。阶跃脊在一阶模态中引入了额外的损耗，而对二阶模态的影响更大。在这里，计算的损耗假设一个无限长的空腔。因此，为了使对一阶模态损耗和阈值的影响保持在Min（<5%），只选择了腔长度的一小部分（<2%）用于阶跃脊。
图2
为了实验测试这个想法，我们从2.5毫米和3毫米长的激光脊的顶部蚀刻了两个短沟槽（25毫米长_x0005_ 3毫米宽_x0005_ 2.7米深），并用铂（Pt）填充。根据我们的模型，几乎任何金属都会产生类似的效果，但铂是我们可以得到金属。类似的沟槽先前已用于开槽法布里-珀罗（FP）激光器，以实现宽波长可调性和窄线宽，和zui近它们与光子晶体相结合，用于vcsel的单横模控制。这种类型的沟槽也用于二极管激光器，以防止背反射和保持单模发射，但不用于防止光束转向。我们的沟槽是通过聚焦离子束（FIB）铣磨引入的，这是Sadeghi等人zui近使用的一种技术，用于在激光脊上制造分布式布拉格反射器（DBR），用于光谱缩小和模式选择采用金属有机气相沉积（MOCVD）技术，在应变平衡的In0.66Ga0.34As/Al0.69In0.31As材料的InP衬底上生长激光结构。
图3
图2(a)为QC激光器端部在蚀刻短沟槽后的扫描电子显微镜（SEM）图像，图2(b)为用铂填充沟槽后的相同器件。首先，我们使用100 ns宽度和5 kHz重复频率的脉冲，通过测试蚀刻前后激光器的不稳定性，研究了未填充沟槽的影响。实验装置如图4的顶部插入所示，包括一个准直透镜。，焦距¼1.5英寸。另一个相同的透镜将准直光束聚焦到室温碲化汞镉（MCT）探测器上。我们从接收功率中提取斜率效率，并注意到提高了20%，达到1.3 _x0005_ Ith。然而，此后光脉冲变得不稳定，导致斜率效率在1.3 _x0005_ Ith以上下降了60%。这表明蚀刻收缩引入的散射不足以完全抑制高功率水平下的不稳定性。
图4
为了进一步增加高阶横向模所经历的损耗，我们用Pt填充沟槽并重复相同的实验。图3显示了FIB和Pt填充前后器件的光电流-电压（LIV）特性。“前”曲线中的扭结和功率噪声是由脉冲波动（见图3底部插图）和指向不稳定造成的，因为当光束转向时，探测器上收集的光变少了。
处理后得到的曲线没有噪声和扭结，从接收到的超过300个脉冲的平均输出功率测量的斜率效率提高了65%，这是脉冲变化改善的直接结果。“后”曲线中阈值的轻微下降（0.02 A）不是FIB处理的结果，而是在重复阈值测量的误差范围内。事实上，其他测试设备（此处未显示）也记录了类似的改进，但阈值略有增加（5%）。
图5
我们通过收集200个连续脉冲并绘制其功率电平来量化添加pt填充沟槽的效果，这些脉冲的平均功率电平超过脉冲中间的90ns栅极。
结果如图4所示。随着电流的增大，高阶模被激发，脉冲平均波动达到平均值的21%，如图4(a)所示。
在增加收缩后，我们在相同的电流水平下重复相同的测量，结果显着改善，如图4(b)所示。平均脉冲值有所增加，其余脉冲波动低于平均值的2%，这与测量的信噪比一致。图5是在0.83 a、0.88 a、0.92 a下采集的数据子集，说明了模式识别带来的改善。左边的直方图（红色）显示了不稳定激光在200个平均脉冲内的150mw变化。在扰动和抑制高阶侧模后，平均脉冲之间的变化降至15 mW以下，如图右侧（蓝色）的直方图所示。相应的标准偏差证实了脉冲稳定性至少提高了10倍，单个脉冲功率也平均增加了250 mW。
图6
zui后，我们测量了我们的设备在不同电流下的远场强度分布，通过扫描一个快速室温MCT探测器，沿着横向（垂直于生长方向），在距离激光前面50px的阶段上，以1mm的间隔。图6(a)显示了该器件在加入缩窄之前的远场图。在所有电流水平，两个副瓣，对应于高阶横向模式，是明显的，除了在中心的主瓣。
在蚀刻和Pt填充后，我们收集了器件在相似电流间隔下的远场图。结果如图6(b)所示，所有电流电平均为一个叶瓣。
侧瓣的缺失表明腔内所有侧模都受到抑制。
综上所述，我们通过横模控制抑制了QC激光器的指向不稳定性。加入收缩前后的数据比较表明，在所有电流下，脉冲波动几乎完全消除，远场强度分布呈高斯分布。由于收集的功率，设备的斜率效率提高了65%，而阈值没有任何显着变化。虽然在后期制作模式下演示，但我们不打算在每个激光器上使用fib生成的模式鉴别器来纠正光束转向。在工业环境中，我们可以在初始脊结构制造过程中，通过干化学蚀刻在脊结构的左边和右边的小步骤来包括原始设备加工中的收缩。这将使高阶横模暴露给金属，而使基本模保持不变。
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