Ultra-laag vermogen substraat-emitterende DFB quantum cascade laser: 0,43 W drempel bij 25 °C

Samenvatting

In dit werk werd een ultra-laag verbruik substraat-emitterende distributed feedback (DFB) quantum cascade laser (QCL) ontwikkeld. De continuous-wave (CW) drempelvermogensdissipatie wordt gereduceerd tot 0,43 W bij 25 °C door de kaviteitslengte te verkorten tot 0,5 mm en hoge-reflectiviteit (HR) coating op beide facetten aan te brengen. Voor zover we weten, is dit de laagste drempelvermogensdissipatie van QCLs onder dezelfde condities. Enkelmodus-emissie werd bereikt door een begraven tweede-orde rooster te gebruiken. Modus-hop-vrije emissie kan worden waargenomen binnen een breed temperatuurbereik van 15 tot 105 °C in CW-modus. De divergentiehoeken zijn 22,5° en 1,94° in de rif-breedte-richting en kaviteitslengte-richting, respectievelijk. Het maximum optische vermogen in CW-bedrijf was 2,4 mW bij 25 °C, wat voldoende is voor spectroscopie-toepassingen.

Achtergrond

In de laatste jaren hebben quantum cascade lasers (QCLs) een snelle ontwikkeling doorgemaakt en zijn ze de meest veelbelovende bron in het midden-infrarood frequentiebereik geworden. Profiterend van hun hoge vermogen, enkelmodus-bedrijf en compacte grootte, zijn distributed-feedback (DFB) QCLs breed gebruikt in toepassingen zoals tracer-gas-sensing, vrije-ruimte-communicatie, en stofanalyse. Echter, het overgebleven nadeel van QCLs is hun hoge elektrische vermogensdissipatie, wat hun toepassing in sommige draagbare en hoog-geïntegreerde systemen beperkt. Om de vermogensdissipatie te verlagen, is de meest voor de hand liggende methode om de geometrie van het apparaat te verkleinen, zoals het verkorten van de kaviteit en het vernauwen van de rif. Hoge-reflectiviteit (HR) coating is ook zeer effectief voor het verminderen van spiegellies. Sommige studies zijn gedaan om de drempelvermogensdissipatie van Fabry-Perot (FP) QCLs te verlagen door een korte kaviteit en HR-coating te gebruiken of gedeeltelijke hoge-reflectiviteit (PHR) coating op de facetten, waarbij gedissipeerd vermogen van 1,2 W bij 22 °C en 0,83 W bij 25 °C zijn gedemonstreerd door A.C. Richard et al. en Y. Bai et al., respectievelijk. Deze methoden kunnen ook worden toegepast op DFB-apparaten. In 2014 rapporteerde Ryan M. Briggs et al. een enkelmodus DFB QCL die uitstraalt bij 4,8 µm met een CW-drempelvermogensverbruik van 0,76 W en maximaal optisch vermogen van ongeveer 17 mW bij 20 °C. In 2015 toonde A. Bismuto et al. korte-kaviteit, smalle-rif enkelmodus DFB QCLs die uitstralen bij 4,5 µm met CW-drempeldissipatie van 0,5 W bij 20 °C. Het maximale optische vermogen is ongeveer 150 mW; de geïnjecteerde elektrische vermogen is echter meer dan 6 W. Andere methoden zoals doting-optimalisatie en lage-periode actieve structuur zijn ook onderzocht. Voor rand-emitterende QCLs wordt HR-coating meestal op de achterfacette aangebracht en de voorfacette ongecoat of PHR-gecoat gelaten om spiegellies te verminderen terwijl het optische vermogen dat vanaf de voorfacette wordt uitgezonden behouden blijft. In plaats daarvan kunnen beide facetten HR-gecoat worden voor substraat-emissie om de spiegellies verder te verminderen, aangezien het licht wordt uitgezonden vanaf het substraat in plaats van de voorfacette. Bovendien kunnen verbeterde ver-verdelingen worden verwacht van substraat-emitterende QCLs. Volgens ons recente werk werd een substraat-emitterende DFB QCL met lage drempelvermogensdissipatie van 1,27 W bij 20 °C verkregen door HR-coating op beide facetten aan te brengen. De actieve regio in Ref [14] bestaat uit 40 superroosterperioden, en de drempelspanning is ongeveer 13 V. Een lagere drempelspanning, en dus lagere drempelvermogensdissipatie, kan worden verwacht als het periodenaantal van de actieve regio wordt verlaagd. De kaviteitslengte van 1 mm kan ook verder worden verkort door het begraven tweede-orde rooster naar behoren te ontwerpen om de drempelvermogensdissipatie te verlagen.

In het huidige werk werd een ultra-laag verbruik substraat-emitterende DFB QCL ontwikkeld. De drempelvermogensdissipatie in CW-modus is zo laag als 0,4 W bij 15 °C en 0,43 W bij 25 °C door de kaviteitslengte te verkorten tot 0,5 mm en HR-coating op beide facetten aan te brengen. Het maximale optische vermogen in CW-modus is 2,4 mW bij 25 °C, wat voldoende is voor spectroscopie-toepassingen. Enkelmodus-emissie werd bereikt door een begraven tweede-orde DFB-rooster te gebruiken. De divergentiehoeken zijn 22,5° en 1,94° full width at half maximum (FWHM) in de rif-breedte-richting en kaviteitslengte-richting, respectievelijk. De dubbele-gepulste ver-verdeling in kaviteitslengte-richting geeft aan dat anti-symmetrische modus wordt begunstigd. Deze apparaten kunnen in CW-modus zonder modus-hop werken in een breed temperatuurbereik van 15 tot 105 °C en zullen zeer geschikt zijn in hoog-geïntegreerde draagbare toepassingen.

Methoden

De actieve regio van het apparaat was gebaseerd op spanning-gecompenseerde twee-fonon-resonante ontwerp dat uitstraalt bij ~4,6 µm. De wafer werd gegroeid op een n-gedopeerd (Si, 2 × 10¹⁷ cm⁻³) InP-substraat door vast-stof moleculaire bundel-epitaxie (MBE). Dertig stappen van In₀.₆₇Ga₀.₃₃As/In₀.₃₆Al₀.₆₄As quantum wells en barrières werden opgenomen in de actieve kern, wat vergelijkbaar is met Ref. [15] De gehele laagvolgorde was als volgt: 1,2-µm-dikke lagere cladding-laag (Si, 2,2 × 10¹⁶ cm⁻³), 0,3-µm-dikke n-In₀.₅₃Ga₀.₄₇As-laag (Si, 4 × 10¹⁶ cm⁻³), 30 actieve/injector-stappen, 0,3-µm-dikke n-In₀.₅₃Ga₀.₄₇As-laag (Si, 4 × 10¹⁶ cm⁻³), en bovenste waveguide-cladding-laag. Om het begraven rooster te fabriceren, werd de bovenste waveguide-cladding-laag verwijderd tot aan de bovenste InGaAs-laag. Het tweede-orde rooster met een periode van Λ = 1,42 µm (duty cycle σ = 0,45, diepte d = 130 nm) werd gedefinieerd op de 0,3-µm-dikke bovenste InGaAs-laag door holografische lithografie-technologie en natte chemische etching. Figuur 1a toont het scanning-elektronenmicroscopie (SEM) beeld van het begraven tweede-orde rooster. Daarna werden een 3-µm-dikke laag-gedopeerde InP-laag (Si, 2,2 × 10¹⁶ cm⁻³) gevolgd door een 0,15 µm geleidelijk gedopeerde InP-laag (Si, van 1 × 10¹⁷ tot 3 × 10¹⁷ cm⁻³) en een 0,4-µm hoog-gedopeerde InP-cladding-laag (Si, 5 × 10¹⁸ cm⁻³) in volgorde voltooid als bovenste cladding door metaal-organische dampfase-epitaxie (MOVPE).

Na de implementatie van de hergroei werd de wafer geëtst in een dubbele-kanaal-waveguide-structuur met een gemiddelde kernbreedte van 7 µm. Vervolgens werd een 450-nm-dikke SiO₂-laag gedeponeerd door plasma-versterkte chemische dampdepositie (PECVD) voor isolatie. Een 2-µm-brede elektronen-injectie-venster werd gepatroneerd op de SiO₂-laag van de rif, en elektrisch contact werd geleverd door een Ti/Au-laag. Voor betere warmteafvoering werd een additionele 4-µm-dikke Au-laag geëlektrolytisch aangebracht. Voor daadwerkelijke cleaving werden massive simulaties voor het ontwerp van het tweede-orde begraven rooster uitgevoerd met elementenmethode-software (COMSOL), vergelijkbaar met Ref. [16] Na verdunning tot 150 µm, werd de waveguide geklieft tot 0,5- en 1-mm-lange apparaten, corresponderend met koppelingssterkte van 0,54 ~ 1,77 en 1,08 ~ 3,55, respectievelijk. Vervolgens werden beide facetten van deze apparaten HR-gecoat door e-bundel-verdamping. De HR-coating bestond uit Al₂O₃/Ti/Au/Al₂O₃ (200/10/100/120). De apparaten werden epi-laag-naar-onder gemonteerd op koperen warmtewisselaars met indium-solder, en vervolgens draadgebonden aan een extern contactpad.

Apparaattesten werden uitgevoerd op een thermo-elektrische koeler (TEC)-trap met een thermistor die de temperatuur van de warmtewisselaar regelt en monitort. Het uitgangsvermogen van de QCL werd gemeten door een gecalibreerde thermopile-detector (Coherent, EMP1000) die recht voor het apparaat werd geplaatst met een metallen buis die de laser-emissie verzamelde. Vervolgens werd het apparaat op een stap-motor-gecontroleerde rotatie-trap geplaatst met een resolutie van 0,01° voor ver-veld-distributietest en een kamertemperatuur HgCdTe-detector (Vigo, PVMI-10.6) werd voor de laser geplaatst op een afstand van 30 cm om de straling te detecteren. De spectra-meting werd uitgevoerd met een Fourier-transformatie infrarood (FTIR) spectrometer (Thermo Fisher Scientific, Nicolet 8700) met een resolutie van 0,25 cm⁻¹ in snelle-scan-modus.

Resultaten en Discussie

Het COMSOL-simulatieresultaat wordt getoond als Fig. 1b. Volgens de berekening wordt een koppelingscoëfficiënt van |κ| = 35,5 ~ 10,75 cm⁻¹ verkregen voor het begraven rooster met duty cycle van 0,35 ~ 0,45 en etch-diepte van 180 nm. De koppelingssterkte g = |κ|L, waar L de kaviteitslengte van de QCL is. Om efficiënte oppervlakte-emissie te verkrijgen, is een koppelingssterkte van 1–2 altijd vereist. Voor een apparaat met 1 en 0,5 mm kaviteitslengte, zijn de gesimuleerde koppelingssterktes in het bereik van 3,55 ~ 1,07 en 1,78 ~ 0,54 wanneer de duty cycle 0,35 ~ 0,45 is. Daarom is het ontwerp van het begraven rooster zeer essentieel voor korte-kaviteitslengte apparaten.

Van bijzonder belang is de elektrische karakterisatie. De licht-stroom-spanning (L-I-V) kromme van de apparaten met verschillende kaviteitslengte wordt getoond als Fig. 2. De lasers werkten in CW-modus en de warmtewisselaar-temperatuur werd gereguleerd door een temperatuurcontroller (Thorlabs, ITC-QCL-4000). Zoals getoond in Fig. 2a, vertoont het apparaat met 1 mm lange kaviteit een drempelstroom van 65 mA bij 25 °C, corresponderend met een drempelstroomdichtheid van 0,54 kA/cm² en vermogensdissipatie van 0,67 W. Het maximale optische vermogen is 8,6 mW met een geïnjecteerd elektrisch vermogen van 1,66 W, en de hellingsefficiëntie is 0,11 W/A. Bij hoge temperatuur van 65 °C is het maximale optische vermogen nog steeds meer dan 5 mW. Voor een 0,5 mm kaviteitslengte-apparaat zijn de drempelstroom en vermogensdissipatie gedaald tot 39 mA en 0,4 W bij 15 °C, zoals getoond in Fig. 2b. De drempelstroomdichtheid is 0,65 kA/cm². Het maximale optische vermogen van 2,8 mW wordt afgeleid wanneer het geïnjecteerde elektrisch vermogen 0,74 W is. Bij 25 °C is de drempelstroom licht toegenomen tot 41 mA, corresponderend met een stroomverbruik van 0,43 W. Voor zover we weten, is dit de laagste drempelstroomverbruik van QCLs bij dezelfde temperatuur. Het maximale optische vermogen van dit apparaat is 2,4 mW met een vermogensdissipatie van 0,76 W, wat zeer geschikt is voor sommige hoog-geïntegreerde sensor-toepassingen. Bij 35 °C is het maximale optische vermogen ongeveer 1,9 mW. Dit apparaat kan werken bij temperaturen zo hoog als 105 °C in CW-modus, maar het uitgangsvermogen wordt klein en te moeilijk om nauwkeurig te detecteren. Vergeleken met eerdere werken in Ref [9,10,11], is het maximale optische vermogen van ons ontwerp niet opvallend vanwege de lage wand-plug-efficiëntie van het apparaat. Dit is inherent beperkt door de kwaliteit van de epitaxie-wafer. Bovendien is de maximale wand-plug-efficiëntie van het 0,5 mm kaviteitslengte-apparaat 0,32% bij kamertemperatuur, minder dan die van het 1 mm kaviteitslengte-apparaat, namelijk 0,5%.

De spectrakarakterisatie van de lasers wordt getoond in Fig. 3. Zowel de 1 als 0,5 mm apparaten kunnen in CW-modus zonder modus-hop werken binnen een breed temperatuurbereik van 15 tot 105 °C. Dit is de hoogste werkingtemperatuur in alle lage-vermogensverbruik QCLs. Een dergelijke hoge werkingtemperatuur wordt voornamelijk begunstigd door de verminderde spiegellies door de HR-coating op de facetten. De temperatuurverschuivingscoëfficiënt is −0,21 cm⁻¹/K en −0,19 cm⁻¹/K, respectievelijk. Er is een klein verschil tussen de spectraregimes van de twee apparaten bij hetzelfde temperatuurbereik, wat waarschijnlijk wordt veroorzaakt door de non-uniforme lithografie en etch-proces van het rooster. De side-mode suppressing ratio (SMSR) van het apparaat is ongeveer 25 dB. De goede lineaire afstembaarheid, enkelmodus en hoge werkingtemperatuur van deze apparaten maken ze zeer nuttig in sommige echte toepassingen zoals tracer-gas-sensing.

De ver-velddistributie van een 0,5 mm apparaat wordt getoond in Fig. 4. In rif-breedte-richting wordt een enkel-gepulste patroon met divergentiehoek van 22,5° (FWHM) waargenomen, zoals getoond in Fig. 4a. Figuur 4b toont het ver-veldpotroon in de kaviteitslengte-richting. Het ver-veldpotroon geeft aan dat anti-symmetrische modus wordt begunstigd, wat wordt veroorzaakt door de non-uniformiteiten van handmatige cleaving en residuele facet-reflecties. Symmetrische modus kan worden verkregen door het gebruik van een distributed Bragg reflector (DBR) rooster aan beide kanten van het DFB-roostergebied om de onbeheerste gekliefte facet-reflecties te elimineren.

Conclusies

We hebben een substraat-emitterende DFB QCL ontwikkeld met een ultra-lage drempelvermogensdissipatie van 0,43 W bij 25 °C in CW-modus door de kaviteitslengte te verkorten tot 0,5 mm en HR-coating op beide facetten aan te brengen. Het maximale optische vermogen was 2,4 mW, en de corresponderende vermogensdissipatie was 0,76 W. Enkelmodus-emissie zonder modus-hop werd verkregen binnen een breed temperatuurbereik van 15 tot 105 °C door een begraven tweede-orde DFB-rooster te definiëren. De divergentiehoeken zijn 22,5° en 1,94° in de rif-breedte-richting en kaviteitslengte-richting, respectievelijk. Het lage-verbruik karakteristiek van het apparaat kan het een veelbelovende lichtbron maken in sommige batterij-aangedreven draagbare systemen.

Afkortingen

CW:

Continuous wave

DFB:

Distributed feedback

FP:

Fabry-Perot

FTIR:

Fourier-transform infrared

FWHM:

Full width at half maximum

HR:

High reflectivity

MBE:

Molecular beam epitaxy

MOVPE:

Metal-organic vapor phase epitaxy

PECVD:

Plasma-enhanced chemical vapor deposition

PHR:

Partial high reflectivity

QCL:

Quantum cascade laser

SEM:

Scanning electron microscope

SMSR:

Side-mode suppressing ratio

TEC:

Thermo-electric cooler