Demonstratie van krachtige en stabiele single-mode in een kwantumcascadelaser met behulp van begraven bemonsterde roosters

Methoden

Een diagram van het uniforme rooster DFB QCL wordt getoond in figuur la; de markeringen van I, II, III en IV vertegenwoordigen de mogelijke vier soorten gespleten eindfacetposities. Zoals we allemaal weten, is het moeilijk om de positie van de gespleten facet precies te regelen voor uniforme roosters op nanoschaal. Als gevolg hiervan verschilt de emissiemodus van apparaat tot apparaat, omdat de positie van de gespleten facet willekeurig is. Hier simuleren en berekenen we het verliesverschil van de twee zijmodi en spectra van modusverliezen van mogelijke vier soorten gesplitste eindfacetposities van I, II, III en IV op basis van de transfermatrixmethode van MATLAB. De absolute waarde van het verliesverschil van de twee zijmodi van de vier soorten gesplitste eindfacetposities van I, II, III en IV wordt getoond in figuur 1b; de abscis wordt weergegeven als de relatieve positie van I, II, III en IV (ervan uitgaande dat een ander facet begint met alleen de roosterpiek en overeenkomt met de fase nul, dan de overeenkomstige fasen van I, II, III en IV zijn 0, π/2, π en 3π/2). Figuur 1c, d, e en f tonen de spectra van modusverliezen van de vier soorten gespleten eindfacetposities in detail. Zoals degenen hebben gezien, verschillen de lasermodus en het verliesverschil van apparaten tot apparaten die worden beïnvloed door de willekeurige facetfase. Figuur 2a toont de overeenkomstige genormaliseerde optische veldverdeling van mogelijke vier soorten gesplitste eindfacetposities van I, II, III en IV, gesimuleerd met dezelfde overdrachtsmatrixmethode. Figuur 2b en c zijn de versterking van de optische veldverdeling nabij de twee eindfacetten. Zoals we hebben gezien, is de intensiteit van beide eindfacetten niet volledig symmetrisch, wat wordt veroorzaakt door een asymmetrische positie van beide eindfacetten. Hier tonen we de situatie met koppelsterkte κ × L =17, wat overgekoppeld is. De lichtintensiteitspieken in het midden van het apparaat nemen snel af naar de twee uiteinden, wat zou kunnen leiden tot ernstige ruimtelijke verbranding van gaten, en op zijn beurt kan het moeilijk worden om een ​​stabiele single-mode werking te behouden [15].

een Het diagram van uniforme roosterstructuur; de aanduidingen van I, II, III en IV vertegenwoordigen de mogelijke vier soorten gespleten eindfacetposities. b De absolute waarden van het verschil in modusverlies voor verschillende gesplitste eindfacetposities van I, II, III en IV, en de abscis wordt weergegeven als een overeenkomstige fase van gesplitste facetposities van I, II, III en IV. c –f De spectra van modusverliezen van de mogelijke vier soorten gesplitste eindfacetposities van respectievelijk I, II, III en IV

een De overeenkomstige optische veldverdeling van de uniforme roosterstructuur voor de vier soorten gespleten eindfacetposities van I, II, III en IV. b , c De versterking van de optische veldverdeling nabij de twee eindfacetten

Hier nemen we een meting van de bemonsteringsroosterstructuur om de distributie van optische intensiteit te verbeteren op basis van de bemonsteringsperiode van P =15 μm en een bloklengte van u =5 m wat overeenkomt met de bemonsteringscyclus van σ =u /P =1/3, die wordt getoond in Fig. 3a. De verticale stippellijn van figuur 3a geeft de positie van het gesplitste facet weer, die afwijkt van het blokgebied om de introductie van de willekeurige eindfase van het facet te vermijden. De corresponderende effectieve koppelingscoëfficiënt κ _eff kan eenvoudig worden gegeven door het product van de koppelingscoëfficiënt κ van de uniforme roostertijden de duty cycle σ van het bemonsteringsrooster, dat wil zeggen κ _eff =κ × σ [16]. De koppelingscoëfficiënt van het bemonsteringsrooster zou dus willekeurig kunnen worden aangepast door de werkcyclus van het bemonsterde rooster, wat in het voordeel is van het optimaliseren van de koppelingssterkte van het bemonsteringsrooster. Hierdoor zou het uitgangsvermogen kunnen worden verbeterd. Figuur 3b toont het berekende transmissiespectrum van bemonsterde roosters op basis van de overdrachtsmatrixmethode en het gemeten elektroluminescentie (EL) spectrum onder gepulseerde toestand. De λ ₋₁ en λ ₊₁ zijn de extra supermodi die door het gesamplede rooster worden geïntroduceerd. De aangrenzende spectrale afstand van supermodi kan worden berekend met Δλ =λ _B ² /(2n _eff P ) waar n _eff is de effectieve index van de golfgeleider en λ _B is de Bragg-golflengte van het uniforme basisrooster [17]. Hoewel het bestaan ​​van supermodes de stabiliteit van de singlemode kan beïnvloeden, kunnen de supermodes ver van het centrum van de versterkingscurve worden ontworpen door een korte bemonsteringsperiode te kiezen P volgens de formule van de spectrale afstand van supermodi. In onze studie, de basis Bragg-roosterperiode Λ , bemonsteringsperiode P , effectieve index van de golfgeleider n _eff , en inschakelduur σ zijn respectievelijk 0,758 m, 15 m, 3,21 en 1/3, dus de aangrenzende spectrale afstand van supermodi is ongeveer 246 nm. Zoals figuur 3b laat zien, is de Bragg-golflengte (0e orde) ontworpen rond de piek van de versterkingscurve, terwijl de +  1e- en − 1e-ordegolflengte afzonderlijk 246 nm verwijderd zijn van het centrum van de versterkingscurve. Ten slotte kan stabiele single-mode lasering in de 0e-orde-modus in onze studie worden bereikt. Figuur 4a toont de gesimuleerde optische veldverdeling van het bemonsteringsrooster bij verschillende injectiestromen. Zoals te zien is, is er een dramatische verbetering geweest in de verdeling van de optische veldintensiteit voor de structuur van het bemonsteringsrooster aan de twee eindfacetten, wat overeenkomt met een belangrijke verbetering in het uitgangsvermogen. Figuur 4b is een versterking van de optische veldverdeling nabij een van de eindfacetten, en figuur 4c toont de gedetailleerde variatie van de optische veldintensiteit aan het eindfacet met injectiestromen. Zoals getoond in figuur 4b, is het profiel van de optische veldverdeling niet vloeiend maar fluctuerend. De fluctuatie wordt veroorzaakt door de "interfacereflectie" tussen het blokgebied en het niet-roostergebied in elke bemonsteringsperiode, wat een "gelokaliseerde" energiedichtheidsconcentratie langs de holte induceert. Bovendien is, zoals weergegeven in figuur 4c, de variatie van de relatieve intensiteitsverdeling van het eindfacet niet-lineair met de injectiestromen, wat niet-lineariteit kan veroorzaken in de vermogensstroomcurve van apparaten.

een Het diagram van de structuur van het bemonsteringsrooster, de verticale stippellijn geeft de positie van het gespleten facet weer, P is de bemonsteringsperiode, en u is de lengte van het roostergebied in één bemonsteringsperiode. b De blauwe lijn is het berekende transmissiespectrum van het ontworpen bemonsterde rooster en de rode lijn is het gemeten elektroluminescentiespectrum van de gefabriceerde wafer

een De gesimuleerde optische veldverdeling van het bemonsteringsrooster bij verschillende injectiestromen. b De versterking van de optische veldverdeling nabij een van de eindfacetten. c De gedetailleerde variatie van de relatieve intensiteit van het optische veld aan het eindfacet met injectiestromen

De QCL-structuur werd gekweekt op een n-InP (Si, 2 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ ) substraat door solid-source moleculaire bundelepitaxie (MBE). De actieve kern bestond uit 40 stadia van spanningsgecompenseerde In_0,67 Ga_0.33 Als/In_0.37 Al_0,63 Als kwantumbronnen en -barrières die het elektronenovergangskanaal leveren om foton te produceren, dat werd omringd door de bovenste en onderste InGaAs-opsluitingslagen. Het rooster werd gedefinieerd op de bovenste InGaAs-opsluitingslaag met behulp van een holografische lithografietechniek met dubbele bundel in combinatie met conventionele optische lithografie. Vervolgens werd de bovenste golfgeleiderlaag gegroeid door middel van metaal-organische dampfase-epitaxie (MOVPE). Daarna werd de wafer verwerkt tot een dubbelkanaals randgolfgeleiderlaser met een gemiddelde kernbreedte van ongeveer 10 m, gevuld met semi-isolerend InP:Fe voor efficiënte warmteafvoer. Een 450 nm dikke SiO₂ laag werd vervolgens afgezet door plasma-versterkte chemische dampafzetting (PECVD) voor isolatie, en elektrisch contact werd verschaft door een Ti/Au-laag afgezet door elektronenstraalverdamping. Een extra 5 μm dikke goudlaag werd gegalvaniseerd om de warmteafvoer te verbeteren. Na te zijn verdund tot ongeveer 140 m, werd een Ge/Au/Ni/Au metalen contactlaag op de substraatzijde afgezet. Vervolgens werden de golfgeleiders gesplitst in staven van 4 mm en 6 mm lang, en de coating met hoge reflectiviteit (HR) bestaande uit Al₂ O₃ /Ti/Au/Al₂ O₃ (200/10/100/120 nm) werd afgezet op een van de facetten door verdamping van de elektronenstraal, waardoor een onbekleed facet achterbleef voor de meting van het emitterend vermogen van de rand. Ten slotte werden de lasers met de epilaag naar beneden gemonteerd op een diamanten koellichaam met een indiumsoldeer, die vervolgens op koperen koellichamen werden gesoldeerd voor een effectieve warmteafvoer.

Resultaten en discussie

De spectra van apparaten zijn getest met een Fourier-transformatie-infraroodspectrometer met een resolutie van 0,25 cm ⁻¹ . De lasers werden vervolgens gemonteerd op een houder met een thermistor in combinatie met een thermo-elektrische koeler om de temperatuur van de submontage te bewaken en aan te passen. Het uitgestraalde optische vermogen werd gemeten met een gekalibreerde thermozuildetector die zonder enige correctie voor het laserfacet werd geplaatst.

Figuren 5 en 6 tonen de emissiespectra en licht-stroom-spanning (L-I-V) kenmerken van de apparaten met respectievelijk een 4 mm en 6 mm holtelengte bemonsterde rooster DFB QCL's. Zoals men heeft gezien, variëren de spectra lineair met de injectiestroom of temperatuur tijdens alle testprocessen. In de CW-modus is het maximale optische vermogen van apparaten 649 mW en 948 mW bij 20 °C voor een caviteitslengte van 4 mm en 6 mm bij respectievelijk 1,2 A en 1,4 A. Bovendien is de lage CW-drempelstroomdichtheid van apparaten van 1,59 kA/cm ² en 1,05 kA/cm ² bij 20 ° C voor een holtelengte van 4 mm en 6 mm wordt bereikt, wat het voordeel van een klein golfgeleiderverlies en een lage drempelstroomdichtheid van begraven roosters volledig weerspiegelt. Zoals we hebben waargenomen aan de hand van de laserspectra, is de lasermodus lineair met de veranderingen van temperatuur of injectiestroom, wat aangeeft dat modus-hopping niet plaatsvindt in de loop van de verandering van injectiestroom of temperatuur. De vermogens-stroomcurves zijn echter niet lineair, wat wordt veroorzaakt door de fluctuaties van de optische veldverdeling van de bemonsteringsroosterstructuur en de niet-uniforme verandering van de optische veldintensiteit van de eindfacetten met de injectiestromen die eerder zijn geanalyseerd.

een Single-mode CW-emissiespectra van een bemonsterd rooster DFB QCL met een holtelengte van 4 mm bij stromen van ongeveer 1,1 × I _de voor verschillende koellichaamtemperaturen van 15–70 °C. De inzet toont CW-emissiespectra bij verschillende injectiestromen van 0,63 tot 1,08 A met een stap van 0,05 A bij 20 °C. b CW licht-stroom-spanning (L-I-V) kenmerken van bemonsterd rooster DFB QCL met een holtelengte van 4 mm bij verschillende temperaturen

een Single-mode CW-emissiespectra van een bemonsterd rooster DFB QCL met een holtelengte van 6 mm bij stromen rond 1,1 × I _de voor verschillende koellichaamtemperaturen van 15–70 °C. De inzet toont CW-emissiespectra bij verschillende injectiestromen van 0,63 tot 1,38 A met een stap van 0,05 A bij 20 °C. b CW licht-stroom-spanning (L-I-V) kenmerken van bemonsterd rooster DFB QCL met een holtelengte van 6 mm bij verschillende temperaturen.

Afbeelding 7 toont de far-field-profielen van het apparaat bij gepulseerde werking van ongeveer 1,25 × I _de op kamertemperatuur. Figuur 7a toont het far-field-profiel langs de richel-breedterichting, en figuur 7b toont het far-field-profiel langs de epitaxiale groeirichting. Experimentele studies hebben aangetoond dat een fundamentele transversale modus gemakkelijker de lasermodus kan worden in een begraven roosterstructuur dan in een metalen roosterstructuur aan het oppervlak, omdat het verlies van fundamentele transversale modus toeneemt als gevolg van de koppeling tussen fundamentele transversale modus en het bovenste metalen contact in een oppervlak metalen roosterstructuur [6]. Volgens dat is het verre-veldprofiel van de fundamentele transversale modus met de volledige breedte op half maximum (FWHM) van 28,2 ° in de richting van de randbreedte verkregen in ons experiment. Dus een ander duidelijk voordeel van begraven roosterconformatie wordt getoond dat de lasermodus over het algemeen een fundamentele transversale modus is met een enkellobbig far-field-profiel, wat in het voordeel is van collimatie. Bovendien wordt een grote FWHM van 50,1° langs de epitaxiale groeirichting verkregen dankzij de kleine emissieopening die van dezelfde orde is als de golflengte.

een Het verre veldprofiel langs de nokbreedterichting. b Het verre-veldprofiel langs de epitaxiale groeirichting

Conclusies

Concluderend zijn laagdrempelige, hoog uitgangsvermogen stabiele single-mode emissiebemonsteringsroosters DFB QCL's bereikt. Het maximale CW-uitgangsvermogen en de drempelstroomdichtheid zijn 0,948 W (0,649 W) en 1,05 kA/cm ² (1,59 kA/cm ² ) voor een holte van 6 mm (4 mm). Een belangrijke verbetering in de verdeling van het optische veld wordt gerealiseerd door de introductie van de kleine bemonsterde duty cycle om de koppelingssterkte te verminderen. Een enkellobbig far-field-profiel wordt ook waargenomen. Dus voor begraven quantum-cascadelasers met gedistribueerde feedback, is het opnemen van gesampled rooster een eenvoudige en effectieve methode om de apparaten te bereiken met een hoog uitgangsvermogen, laagdrempelige, stabiele single-mode-emissie en hoge single-mode-opbrengsten.

Afkortingen

CW:

Continue golf

DFB:

Gedistribueerde feedback

EL:

Elektroluminescentie

FWHM:

Volledige breedte op halve maximum

HR:

Hoge reflectiviteit

L–I–V:

Licht-stroom-spanning

MBE:

Moleculaire bundelepitaxie

MOVPE:

Metaal organische dampfase epitaxie

PECVD:

Plasma-versterkte chemische dampafzetting

QCL:

Kwantumcascadelaser