لیزرهای تراهرتز کوانتومی ۳

لیزرهای تراهرتز و آمپلی فایرهای پهن باند گین آبشاری کوانتومی – فصل ۳

لیزرهای تراهرتز و آمپلی فایرهای پهن باند گین آبشاری کوانتومی – فصل ۳  – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه برق – الکترونیک

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

لیزرهای تراهرتز و آمپلی فایرهای پهن باند کارآمد بر مبنای محیط گین آبشاری کوانتومی

فصل ۳

لیزرهای آبشاری کوانتومی تراهرتزی فیدبک توزیعی همراه با آنتن میکرواستریپ

۳ـ۱٫ لیزر DFB مرتبه ثالث

لیزر فیدبک توزیعی (DFB) از توری های تناوبی جهت فراهم آوردن فیدبک پیوسته در کاواک لیزر استفاده می نماید [۳۹]. به منظور حصول تداخل سازنده بین بازتاب ها / انعکاس های حاصله از طریق توری های مجاور در داخل موجبر، فاصله بیشتر سیر نور در توری دیگر، که به عنوان طول دو تناوب توری در نظر گرفته می شود، را می بایست به عنوان یک عدد صحیح طول موج در داخل موجبر در نظر گرفت.

که در آن  به عنوان تناوب توری، l مرتبه لیزر DFB،  به عنوان طول موج فضای آزاد و n_eff شاخص مود مؤثر به شمار می آید. انعکاس وابسته به طول موج از توری ها منجر به اتلاف آینه ای a_m به عنوان یک تابع قدرتمند  (یا به صورت معادل، فرکانسn) می شود. با توجه به طیف بهره، مود مرتبط با بالاترین بهره خالص g (n) –am (n) به صورت غالب حاصل شده و منجر به نشت تک ـ مودی می گردد که خود معرف ضریب تحدید واحد و اتلاف موجبر مشابه a_m می باشد.

در موجبرهای فلز ـ فلز، مود مربوطه کاملاً بین دو نوار فلزی در مسیر عمودی مقید شده است، اما این مورد در مسیر عرضی در امتداد کنتراست شاخص بین دی الکتریک و هوا وجود ندارد. بنابراین، شاخص مود مؤثر را می توان از طریق همپوشانی مود با هوا (شاخص انعکاسی شماره ۱) و نیمه رسانا (شاخص انعکاسی GaAs برابر با ۶/۳) تحت مهندسی قرار داد، بنابراین مورد ذیل به صورت تقریبی حاصل می شود:

در پی معادله ۳ـ۱، برای لیزرهای DFB مرتبه ثالث، فاصله بین توری های مجاور برابر با سه نیمه طول موج داخل موجبر تلقی می شود. به هنگامی که شاخص مود مؤثر n_eff به ۳ می رسد، تناوب توری مساوی با نصف طول موج فضای آزاد شده، و فاز تابش فضای آزاد همتراز با قطبیت میدان داخل هر منفذ توری مشخص شده که خود منجر به ایجاد شرایط “تطبیق کامل فاز” می گردد [۳۲] که خود در شکل ۳ـ۱ (الف) نشان داده شده است. این مورد خود منجر به تداخل سازنده بین تابش درامتداد توری ها در فضای آزاد و یک الگوی پرتوی گسیل از لبه می شود.

شرایط “تطبیق کامل فاز” (n_eff = 3) را می توان به عنوان یک مؤلفه حیاتی برای طول حداکثری، مقیاس پذیری توان و واگرایی پرتوی لیزر DFB در نظر داشت. برای n_eff ¹ ۳، خطاهای فاز در امتداد لیزر انباشته شده و از منافذ مختلف توری گسیل یافته و نهایتاً سبب ملغی سازی یکدیگر به واسطه فاز مخالف پس از یک طول خاص گردیده که خود منجر به کاهش در توان خروجی و تنزل الگوی پرتو خواهد شد. بنابراین، طولی که بر مبنای آن فاز مرتبط با دو موج سیار هم خط بر حسب p، L_c تغییر می کند را می توان جهت مشخص سازی طول فید حداکثری تعریف نمود [۳۲].

کارکرد لیزر DFB مرتبه ثالث را می توان مشابه با یک آرایه آنتن با قابلیت تشعشع انتها آتش [۴۰]، همانگونه که در شکل ۳ـ۱ (ب) نشان داده شده است، تلقی نمود. با در نظرگیری یک جفت آنتن های نیم موج ۱۸۰ درجه، حداکثر حذف را می توان در خط مرکزی بین آنتن ها حاصل نمود. تابشی که از یک آنتن سیر می نماید نهایتاً پس از نیم چرخه / سیکل به آنتن دیگر می رسد (۱۸۰ درجه) و سبب تقویت آن (به طور کلی ۳۶۰ درجه، داخل فاز) آن شده و نهایتاً منجر به تابش حداکثری  دو  جهته  در امتداد  آنتن  می گردد. به هنگامی که چنین آنتن هایی در یک آرایه جمع شوند، الگوی پرتوی کامل در هر دو طرف آرایه شکل می گیرد و چنین موردی تحت عنوان “آرایه آنتن با تشعشع انتها آتش” خوانده می شود.

لیزرهای تراهرتز کوانتومی ۳

۳ـ۲٫ لیزر DFB مرتبه سوم با آنتن میکرواستریپ

۳ـ۲ـ۱٫ بهره وال ـ پلاگ

بهره وال بلاگ (WPE) که مشخص کننده بهره توان الکتریکی به نوری می باشد به عنوان یک رویه سنجشی مهم برای کنترل عملکرد لیزرها به شمار می آید. از نقطه نظر ریاضیاتی، این مورد را می توان به شرح ذیل تشریح نمود [۴۱، ۴۲]:

که در آن  به عنوان محدوده دینامیکی، dP/dI بازدهی شیب [W/A]، و V ولتاژ اعمالی [V] به شمار می آیند. بهره شیب، که به عنوان میزان افزایش توان در برابر جریان پس از آستانه تلقی می شود را می توان به شرح ذیل در نظر گرفت:

که در آن h ضریب کوآنتوم داخلی، N تعداد ماژول های QCL،  و  انرژی فوتون به شمار می آید. کارایی اوت ـ کوپلینگ (out-coupling efficiency)  را می توان به عنوان تابع اتلاف آینه ای a_m و اتلاف موجبر a_w در نظر گرفت.

به منظور ارزیابی WPE مرتبط با QCLs، یک موجبر را می توان با اتلاف آینه ای بیشتری طراحی نمود، که خود از یک کارایی اوت ـ کوپلینگ بالاتری نیز برخوردار می باشد. با این وجود، در حد نامتناهی اتلاف بزرگ آینه ای، دستگاه یا ابزاره مربوطه قابلیت لیزینگ با توجه به بهره محدود ماده را نخواهد داشت. علت این امر را می توان اینگونه توصیف نمود که آستانه لیزینگ می بایست به گونه ای افزایش یابد تا قابلیت جبران اتلاف افزایش یافته را داشته باشد، که خود منجر به کاهش در محدوده دینامیکی خواهد شد. به منظور شامل نمودن این مؤلفه، یک کارایی اوت ـ کوپلینگ “اصلاح شده” برای یک لیزر DFB مرتبه سوم گسیل از لبه را می توان به شرح مرجع [۱۳] بازنویسی کرد:

۳ـ۲ـ۲٫ لیزر DFB با آنتن میکرواستریپ

اخیراً، با یکپارچه سازی آنتن های میکرواستریپ با لیزر DFB مرتبه ثالث کاملاً منطبق ارتقای معنی داری در کارایی اوت کوپلینگ در زمینه توان سیستم حاصل آمده  و در عین حال عملیات موج پیوسته تک مودی با الگوی پرتوی باریک و متقارن نیز همچنان حفظ شده است [۳۳].

این تحقیق نشأت گرفته از طرح های آنتن در ارتباط با مهندسی میکروویو می باشد. آنتن میکرواستریپ متشکل از یک خط انتقال میکرواستریپ و یک برش اسلات (slot cut) در صفحه فلزی به زمین می باشد. جریان مشخص شده در خط میکرواستریپ سبب تحریک اسلات مربوطه و به گونه ای خواهد شد که یک ولتاژ در امتداد آن ایجاد شده و جریان نیز در اطراف محیط این اسلات سیر نموده که خود در ارتباط با ویژگی های تابشی می باشد [۴۵]. جهت بکارگیری آنتن دارای اسلات مشابه در لیزر DFB مرتبه سوم موجبر فلز به فلز تراهرتزی، به جای حذف بخش هایی از صفحه زمین، منافذ دارای شکل مستطیلی بر روی لایه فوقانی فلز ایجاد شده و لوپ های آنتن در دو طرف شکاف ها در لیزر DFB همانگونه که در شکل ۳ـ۲ نشان داده شده است متصل می شوند.

منافذ قرار گرفته در امتداد خط الرأس لیزر معادل با آنتن های دو قطبی کوتاه با مقاومت تابشی ، با استفاده از اصل Babinet [45] می باشد. موجبرهای فلز ـ فلز تراهرتزی غالباً از کارایی ضعیف استخراج نیرو در رنج می باشند که علت آن را می توان ابعاد عرضی طول موج فرعی  دانست. بدون تغییر ویژگی های طول موج فرعی لیزر DFB، آنتن های مجتمع به طور فزاینده ای سبب افزایش ناحیه مؤثر تابشی گردیده و در نتیجه موجب ارتقای کارایی استخراج توان می گردد.

جهت حفظ فیدبک توزیعی فراهم شده به وسیله کاواک های مجاور و میدان الکتریکی داخل لیزر DFB، ابعاد فیزیکی ساختار آنتن را می بایست با دقت و به گونه ای طراحی نمود که مجموع طول بازوی LL آنتن بر روی هر یک از طرفین خط الرأس به صورت یک عدد صحیح (m =1, 2, 3…) با توجه به طول موج  با قابلیت سیر در امتداد بازوی آنتن [۳۳] حاصل شوند:

۳ـ۲ـ۳٫ پیاده سازی در خط اکسیژن اتمی ۰۶/۲ تراهرتزی

یکی از مهمترین کاربردهای THz QCL فراهم آوردن منابع حالت – جامد قدرتمند، متراکم، با فرکانس تثبیت شده و ویژگی های مرتبط به عنوان اسیلاتورهای محلی (LO) در گیرنده های هترودین برای مطالعات نجومی و جوی می باشد [۲۴]. در اینجا، ما نسبت به طراحی، ساخت و اندازه گیری DFB QCLs با توجه به خط اکسیژن اتمی ۰۶/۲ تراهرتز اقدام می نمائیم.

در یک طول موج دراز مترادف با تقریباً ۲ تراهرتز، لیزرهای DFB مرتبه سوم قبلاً نشان داده شده بر مبنای موجبرهای موجدار [۴۰] یا کاواک های Fabry-Prot کاملاً متصل [۳۲] سبب حاصل آمدن کارایی استخراج توان اندکی می شوند آن هم در صورتی که خط الرأس های باریک، به منظور اطمینان از یک مود عرضی واحد، و با قابلیت حذف کارآمد حرارت بکار گرفته شده باشند. با توجه به این موضوع، ما نسبت به یکپارچه سازی ساختارهای DFB مرتبه ثالث با آنتن میکرواستریپ جهت تقویت توان کارایی اوت کوپلینگ آن اقدام نمودیم [۳۳].

روش جزء محدود سه بعدی (FEM) با توجه به شبیه سازی های الکترومغناطیسی تمام موج معرف آن می باشد که ویژگی تناوبی توری به خوبی طراحی شده است به گونه ای که مود لیزینگ برابر با مود لبه پایینتر باند (LBE) می باشد. اتلاف تابشی a_m آن به طور مؤثری بر حسب ضریب ۷ از ۰٫۸ cm^-1 برای لیزرهای DFB موجدار متعارف به ۵٫۸ cm^-1 برای لیزرهای DFB با آنتن میکرواستریپ، همانگونه که در شکل ۳ـ۳ (ج) نشان داده شده است افزایش می یابد. انرژی مود LEB غالباً در داخل کاواک زیر فلز فوقانی می باشد، در حالی که مود لبه فوقانی باند (UBE) از محلی شدگی بیشتری زیر منفذ مرتبط برخوردار بوده و بنابراین دارای میزان تابشی بیشتر a_m ~ 60 cm^-1 می باشد. مود UBE با همپوشانی بالاتر با هوا همچنین منجر به n_eff کمتر می گردد، که خود تشریح کننده فرکانس بالای آن می باشد.

به منظور اطمینان از لیزینگ تک مود طیفی بر روی مود عرضی اصلی، یک اندازه باریک لبه ۱۸ میکرومتری جهت اجتناب از لیزینگ با مودهای عرضی مرتبه بالاتر از طریق افزایش اتلاف تابش آنها به >50 cm^-1، همانگونه که در شکل ۳ـ۳ (الف) نشان داده شده است انتخاب می گردد. از طریق انتخاب دقیق طول های کاواک، آرایه های لیزر با ۱۰ ـ GHz جدایش فرکانس در طی طراحی این اطمینان بوجود می آید که یکی از لیزرها در محدوده ۵ گیگاهرتزی خط هدف خواهد بود.

ویژگی های تفصیلی مربوط به ساخت در ضمیمه  ج  ارائه  شده  است.  شکل ۳ـ۴  (الف)  و (ب) نشان دهنده تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی  (SEM)  لیزرهای DFB  همراه با آنتن میکرواستریپ می باشند. جهت فراهم آوردن جریان بایاس برای این نوع از ابزارهای باریک و دراز، پدهای پیوندی کناری با هر یک از کاواک های لیزر به باله های تماسی متصل می شوند، که خود به وسیله پل های هوایی از طریق حذف بخش GaAs (تقریبا ۱۵ میکرومتر) با استفاده از فرآیند اچ مرطوب شکل می گیرند. پدهای پیوند کناری با فاصله ۹۰ میکرومتری  از لیزر نصب می شوند تا آنکه از اتصال محتمل مود بین لیزر و پدهای کناری به هنگامی که فاصله بین آنها کمتر از  گردد، همانگونه که در شکل ۳ـ۴ (ج) نشان داده شده است جلوگیری شود. این نوع از  ابزارها از دو محیط بهره ساخته می شوند، یعنی FL175M-M3 (wafer # EA1222) که به صورت یک طرح فونون رزونانت است [۴۳]  و OWI1185E-M1 (wafer # VB0244)، که بر مبنای تزریق با کمک فرآیند پراکندگی (SA) [46، ۴۷] می باشد.

شکل ۳ـ۵ (الف) نشان دهنده منحنی های I – V و L – I ضربانی و داده های طیفی سه لیزر DFB مرتبه ثالث با آنتن مجاور ساخته شده با استفاده از ویفر شماره  EA1222 و با توجه به طول های کاواک مختلف می باشد. همانگونه که پیش بینی می شود، فرکانس لیزینگ آنها در حدود ۱۰ گیگاهرتز متفاوت می باشد و دستگاه ۲ با توان لیزینگ ۴۸/۲۰۵۸ GHz (در محدوده ۲ GHz – 2060 GHz) عمل می نماید. دمای لیزینگ حداکثری T_max دستگاه ۲ برابر با ۶/۸۰ K (پالس) می باشد.

متأسفانه، هیچ کدام از این سه لیزر قابلیت حاصل آوردن مود c.w. را ندارند که علت آن را می توان اتلاف زیاد توان طراحی FL خواند. شکل ۳ـ۵ (ب) نشان دهنده منحنی های I-V و L-I ضربانی و داده های طیفی یک سیستم DFB مرتبه ثالث با آنتن مشابه و با توانایی لیزینگ حدود ۲۵/۲ تراهرتز می باشد، که نزدیک تر با پیک محیط بهره قلمداد می شود. این مورد به توان پیک ۹۲/۱ mW در مود c.w. در ۱۴ K می رسد. بنابراین، با طرح یکسان EM و  محیط بهره ای ممتاز، QCL های دارای توان خروجی بالا را می توان حاصل آورد و آنها را به عنوان اسیلاتورهای محلی برای تشخیص هترودین به منظور مشاهده خط اکسیژن اتمی در ۰۶/۲ THz بکار گرفت.

لیزرهای تراهرتز کوانتومی ۳