[論文レビュー] Ultra-broadband quantum cascade laser operating from 1.88 to 3.82 THz

Markus Rösch, Mattias Beck+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2016

Spectroscopy and Laser Applications参考文献 24被引用数 29

ひとこと要約

本論文では、1.88–3.82 THzをカバーする広帯域アクティブ領域設計を有する不均一な量子カスケードレーザー（QCL）を提案し、分散動作で1.94 THzのスペクトル帯域幅、周波数コンブ（FC）動作で1.1 THzの周波数帯域幅を達成した。4種類の異なるアクティブ領域設計を最適化されたドーピングおよび周期分布と統合することで、超高帯域、高出力のテラヘルツ放射を実現し、動的範囲と出力パワーが向上した。これは自己検出デュアルコンブ分光法により検証された。

ABSTRACT

We report on a heterogeneous active region design for terahertz quantum cascade laser based frequency combs. Dynamic range, spectral bandwidth as well as output power have been significantly improved with respect to previous designs. When operating individually the lasers act as a frequency comb up to a spectral bandwidth of 1.1 THz, while in a dispersed regime a bandwidth up to 1.94 THz at a center frequency of 3 THz can be reached. A self-detected dual-comb setup has been used to verify the frequency comb nature of the lasers.

研究の動機と目的

• アクティブ領域の設計を用いて、従来の限界を超えてテラヘルツ量子カスケードレーザーのスペクトル帯域幅を拡大すること。
• 実用的な分光的応用を想定し、広帯域THz QCLにおける動的範囲と出力パワーを向上させること。
• 1台のTHz QCLデバイス内で安定した超広帯域周波数コンブ動作を達成すること。
• 自己検出デュアルコンブ設定を用いて周波数コンブの性質を検証すること。

提案手法

• 中心周波数が2.3、2.6、2.9、および3.4 THzである4種類の異なるアクティブ領域設計を統合した不均一なカスケード構造の設計。
• 全帯域にわたる平坦なゲインを達成するため、各設計の周期数を最適化してしきい値電流をバランスさせること。
• キャリア注入を向上させ、動的範囲を改善するために、Siドーピングを2.2×10¹⁶ cm⁻³に増加させること。
• 湿式エッチング（パルス動作）および乾式エッチング（CW動作）を用いた金属-金属波導でレーザーをフォトリソグラフィーで作製し、性能最適化を図ること。
• 真空FTIRとRFスペクトルアナライザーを用いた自己検出デュアルコンブ設定を採用し、周波数コンブ動作を検証すること。
• モード間ビートノートとマルチミキシングスペクトルを測定し、コンブの安定性と帯域幅を確認すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不均一なアクティブ領域設計により、1台のTHz QCLが1.9 THzを超えるスペクトル帯域幅を達成できるか？
• RQ2 アクティブ領域の設計が、広帯域QCLにおける動的範囲と出力パワーにどのように影響を与えるか？
• RQ3 1台のQCLデバイス内で、周波数コンブ動作の帯域幅をどの程度まで拡張できるか？
• RQ4 自己検出デュアルコンブ分光法は、広帯域THz QCLの周波数コンブ性質を確認できるか？

主な発見

• 分散動作において、中心周波数3 THzで1.94 THzのスペクトル帯域幅を達成し、1.88–3.82 THzの範囲をカバーした。
• 10 Kでのパルス動作でピーク出力パワー10 mWを測定し、従来の設計比で40%の改善を達成した。
• 周波数コンブ動作は最大1.1 THzの帯域幅を示し、モード間ビートノート測定により確認された。
• 自己検出デュアルコンブ分光法により周波数コンブの性質が検証され、175 GHz帯域幅（熱的要因による制限）のマルチミキシングスペクトルが得られた。
• 動的範囲（Jmax/Jth）は2に達し、広帯域ゲインプロファイルにわたる電流処理能力と安定性が向上したことを示した。
• 不均一なアクティブ領域設計により、全4つの周波数成分において平坦なゲインとバランスの取れたしきい値電流が実現され、広帯域カバーが可能になった。