Stabiele Single-Mode DFB Quantum Cascade Laser op 4,76 µm met Geoptimaliseerde Facet Reflectiviteitscoatings

Samenvatting

In dit werk worden quantum cascade lasers (QCL's) gepresenteerd die gebaseerd zijn op spanningscompensatie gecombineerd met een twee-fonon resonantie-ontwerp. Een distributed feedback (DFB) laser die uitstraalt bij ~4,76 µm werd gefabriceerd via een standaard begraven eerste-orde rooster en buried heterostructure (BH) verwerking. Stabiele single-mode emissie wordt bereikt onder alle injectiestromen en temperatuursomstandigheden zonder enige mode hop door de geoptimaliseerde antireflectie (AR) coating op de voorste facet. De AR coating bestaat uit een dubbele laag dielektrisch materiaal van Al₂O₃ en Ge. Voor een 2-mm laser cavity is de maximale uitgangsvermogen van de AR-gecoate DFB-QCL meer dan 170 mW bij 20 °C met een hoge wandplug-efficiëntie (WPE) van 4,7% in continue-golf (CW) modus.

Achtergrond

Mid-infrarood quantum cascade lasers (QCL's) zijn een van de meest belovende lichtbronnen voor veel commerciële toepassingen. Deze praktische toepassingen zoals gasdetectie, vrijruimte communicatie en hoge-resolutie spectroscopie vereisen QCL's met hoog vermogen, verbeterde single-mode betrouwbaarheid en lage kosten. Sinds de eerste DFB-QCL in 1997 gedemonstreerd werd, zijn de prestaties van deze apparaten sterk verbeterd met de demonstratie van kamer-temperatuur CW-werk met hoog vermogen over het mid-infrarood gebied. Echter, de meeste DFB-QCL's gebaseerd op begraven roosterstructuren hebben het probleem van willekeurig gekloofde facetten die de laserfrequentie-mode bepalen. Vanwege de gelijke hoeveelheid verlies in twee band-edge modes, kan stabiele single-mode werk niet gegarandeerd worden. Vooral bij hoge temperaturen of grote injectiestromen treedt mode hopping op, wat nadelig is voor toepassingen in deze single-mode apparaten.

Om stabiele single-mode werk te verkrijgen, werd een kwart-golf faseverschuiving (λ/4 PS) geïntroduceerd in de roosterperiode zodat de laser kan werken in defect mode; daarmede kan concurrentie tussen de twee band-edge modes vermeden worden. Maar elektronenbundel-lithografie moet gebruikt worden voor de fabricage van λ/4 PS roosters, wat tijdrovend en duur is. Gain-gekoppelde DFB laser is een goede keuze voor stabiele single-mode werk in conventionele semiconductorlasers. Echter, het is onrealistisch voor QCL's om gain-gekoppelde DFB lasers te maken vanwege het grote verlies door geëtste actieve regio. Een andere slimme methode is het gebruik van de cavity loss koppelingsmechanisme voor het vergroten van het verschil in verlies tussen twee DFB modes. Men gelooft dat gepaste reflectiviteitsfacet coating stabiele single-mode werk kan bereiken zelfs bij hoge temperaturen en grote stromen. Hoewel er enkele onderzoeken gewijd zijn aan facet coating, richten ze zich altijd op het vormen van optimale equivalente caviteitslengte L_opt om wandplug-efficiëntie (WPE) te behouden voor lasers in plaats van single-mode betrouwbaarheid. Ook zou geoptimaliseerde reflectiviteitscoating een veelbelovende manier zijn om de concurrentie tussen twee DFB modes op te lossen en is interessant om systematisch te onderzoeken.

In dit artikel wordt stabiele single-mode werk van DFB-QCL's bij λ ~ 4,76 µm gepresenteerd na antireflectie (AR)/hoge reflectie (HR) coating. De AR coating bestaat uit een dubbele laag dielektrisch van Al₂O₃ (380 nm) en Ge (33 nm). Deze apparaten tonen een zeer lage drempelstroomdichtheid van 0,65 kA/cm² bij 20 °C. Single-mode emissie met een side-mode suppression ratio (SMSR) boven 26 dB wordt bereikt tot een temperatuur van 90 °C in CW-werk zonder enige mode hopping. Men gelooft dat anti-reflectiviteitscoating op de voorste facet zeer waardevol is voor het onderdrukken van willekeurige fase van de cavity facet.

Methoden

Theorie en Simulatie

De kern van de simulatie van antireflectie coating effect in eindige DFB cavity is de berekening van mode verlies voor twee band-edge modes. De transfer matrix methode zou een geschikte manier zijn om de hele laserstructuur te analyseren. We overwegen de toepassing van deze methode op apparaten die een longitudinale brekingsindexprofiel hebben zoals getoond in Fig. 1. Deze schematische tekening illustreert het effect van rooster met kleine verschillende effectieve index verstoring (n_eff,1, n_eff,2) en gecoate films (n_3, n_4) op de geguidde mode. De complexe brekingsindexen van de hoofdmaterialen die in de berekening gebruikt worden, zijn als volgt: InP (3,088 + i*2e−4), InGaAs (3,4 + i*2,9e−5), actieve regio (3,298 + i*4e−5), hoog-gedopeerd InP (2,81 + i*1,4e−2), SiO₂ (1,3603 + i*6,3e−4), Au (1,341 + i*32,582), Al₂O₃ (1,5348 + i*3,2967e−3), en Ge (4,0165 + i*4e−2). Vervolgens werden de verschillende effectieve indexen n_eff,1 = 3,1599 + i*5,17e−5 en n_eff,2 = 3,1662 + i*5,6756e−5 uitgewerkt met COMSOL via partiële differentiaalvergelijking (PDE) functie. De laser wordt verondersteld te werken in een enkele transversale mode zodat de voortplantingseigenschappen van licht op elk punt langs de laser cavity worden beschreven door een enkele scalaire complexe hoeveelheid, k, wat de golfvector van het medium is. Het wordt verder overwogen dat de laser lineair gepolariseerd is en de bijbehorende elektrische veld een sinusoïdale tijdsafhankelijkheid e^iωt heeft. Volgende deze assumpties, voldoet een eendimensionale vlakke elektromagnetische golf factor E_z, die het deel van de specifieke variatie van de golfbeschrijving beschrijft, de Helmholtz vergelijking.

Uit Fig. 1 kan gezien worden dat de laser kan worden beschouwd als een multi-sectie apparaat met 2N + 2 secties waar N de roosterperiode is. In elk van deze secties is het elektrisch veld E_n(z) een lineaire combinatie van twee tegenovergesteld voortplantende exponentiële vlakke golven waar de ene afneemt met complexe amplitude A_n en de ander toeneemt met B_n. In totaal zijn er 2N + 3 interfaces. Op elk van deze interfaces moeten zowel het elektrisch veld als zijn afgeleide ten opzichte van de voortplantingsrichting gelijk zijn aan beide kanten van de interface. Overwegend dat de elektrisch opgepompte laser een zelf-oscillerend apparaat is, zijn er geen binnenkomende golven van buitenaf. Dit resulteert in de randvoorwaarde B_0 = A_{2N+3} = 0, en de vergelijking verandert tot f = ikμ_11 + μ_12 k^2 - μ_21 + ikμ_22 = 0. Elke waarde van de golfvector k kan verkregen worden met behulp van Matlab via Verg. (6). De imaginaire delen k_i corresponderend met verliezen van de cavity modes helpen om de AR coating effecten te analyseren.

Figuur 2a toont de berekende resultaten gebaseerd op transfer matrix simulatie. De twee rode curven tonen dat het hoge-frequentie mode verlies zeer langzaam verandert met de afname van reflectiviteit terwijl het lage-frequentie mode scherp toeneemt. De inset toont het modeprofiel berekend voor de lage- en hoge-frequentie modes, voor een enkele periode van het rooster. Het lage-frequentie mode heeft een hogere elektrisch veld magnitude in de roosterpieken (het hogere index deel van het rooster), en het hoge-frequentie mode is meer geconcentreerd in het lagere index deel van het rooster. Voor oneindig cavity model zonder facet reflectiviteit, heeft het hoge-frequentie mode altijd lager mode verlies dan het lage-frequentie mode. Als het effect van eindfacet spiegels genegeerd kan worden, dan zal het hoge-frequentie mode met de kleinere golfgeleider verliezen altijd laseren. Echter, de aanwezigheid van eindfacet spiegels geeft reflecties die constructief of destructief interfereren met de DFB modes in de laser cavity. Deze interferentie beïnvloedt het eindige rooster-cavity verlies van elke mode en kan bepalen welke mode laser. We merken op dat het effect van de spiegels het grootst is wanneer de positie van beide spiegels samenvalt met een piek in elektrisch veld amplitude van één DFB mode, wat ook is wanneer de spiegels op een knooppunt zijn voor de andere DFB mode. Hier vallen de spiegels voor de ongecoate facet samen met de piek van het lage-frequentie mode, en dan interfereren de reflecties van de eindspiegels maximaal constructief met de mode in de laser cavity. Dit resulteert in een verminderd totale mode verlies, door de constructieve bijdrage van de spiegel. Naarmate de reflectiviteit afneemt en additionele faseverschuiving invloeden door het gebruik van de dubbele laag AR coating, neemt het verlies van het lage-frequentie mode geleidelijk toe met de afname van reflectiviteit door het verzwakte interferentie effect en toegenomen spiegelverlies. Tegenovergesteld, het verlies van het hoge-frequentie mode verandert weinig door het versterkte interferentie effect. Dit resulteert erin dat het Δ mode verlies zich gedraagt als een exponentiële functie vooral wanneer de voorste facet reflectiviteit < 0,15 is. Volgens de simulatie bestaat er slechts één minimumpunt binnen het hele spectrum wanneer de reflectiviteit van de voorste facet < 0,11 is, wat betekent dat mode hop niet kan gebeuren in theorie omdat het andere band-edge mode verlies te hoog is om te laseren.

Figuur 2b toont de drie typische mode verlies spectrums tijdens simulatie waar de hoge- en lage-frequentie modes 4,762 en 4,779 µm zijn respectievelijk. De eerste is de DFB-QCL zonder AR coating. We zien de stopband georiënteerd uit de rooster feedback duidelijk, en de twee band-edge modes zijn bijna hetzelfde. De tweede is specifieke AR coating met 200 nm Al₂O₃ en 5 nm Ge met reflectiviteit van 0,22. Het differentieel tussen twee band-edge modes begint duidelijk te zijn. De laatste toont dat met lagere reflectiviteit coating, het Δ mode verlies zo groot is dat het lage-frequentie mode onder het verlies van de stopband verdwijnt. Hoewel lagere reflectiviteit, groter Δ mode verlies in theorie, moeten we ook overwegen dat extreme lage reflectiviteit enorme spiegelverlies in apparaten veroorzaakt wat de WPE scherp zou laten dalen. Dat is een afweging om filmdikte te kiezen gebaseerd op experiment.

Apparaat Fabricage

De QCL wafer werd gegroeid op een n-gedopeerde (Si, 3 × 10¹⁷ cm⁻³) InP substraat door vastestof moleculaire bundel epitaxie (MBE) gebaseerd op een twee-fonon resonantie ontwerp. De actieve kern bevat 40 stadia van spanningsgecompenseerde In_0.669Ga_0.331As/In_0.362Al_0.638As quantum wells en barrières, vergelijkbaar met Ref. [18]. De laagvolgorde was als volgt: 2-µm lagere InP cladding laag (Si, 2,5 × 10¹⁶ cm⁻³), 0,3-µm-dikke matched In_0.47Ga_0.53As laag (Si, 4 × 10¹⁶ cm⁻³), 40 actieve/injector stadia, 0,3-µm-dikke In_0.47Ga_0.53As laag (Si, 4 × 10¹⁶ cm⁻³), 3-µm bovenste InP cladding laag (Si, 2,5 × 10¹⁶ cm⁻³), en 0,7-µm hoog gedopeerde InP cladding laag (Si, 5 × 10¹⁸ cm⁻³). Het gemiddelde dopingsniveau van de actieve regio was empirisch aangepast tot 2,4 × 10¹⁶ cm⁻³. Om het begraven rooster te fabriceren, werd de bovenste cladding verwijderd tot de bovenste InGaAs laag. Het eerste-orde DFB rooster met een periode van Λ = 0,755 µm (duty cycle σ = 20%) werd gedefinieerd op de 300-nm-dikke bovenste InGaAs laag met behulp van holografische lithografische techniek en vervolgens geëtst tot een diepte van ongeveer 90 nm door natte chemische etching. Vervolgens werd een 3-µm-dikke laag gedopeerd (Si, 2,5 × 10¹⁶ cm⁻³) InP laag gevolgd door een 0,2-µm geleidelijk gedopeerde (veranderend van 1 × 10¹⁷ cm⁻³ tot 3 × 10¹⁷ cm⁻³) InP laag en een 0,5-µm InP (5 × 10¹⁸ cm⁻³) contactlaag in volgorde aangebracht als de bovenste cladding door metaal-organische dampfase epitaxie (MOVPE).

Na implementatie van het roosterpatroon en hergroei, werd de epi-wafer geëtst in 10-µm-brede ridges, en daarna werden de golfgeleiders opnieuw in het MOVPE systeem gebracht en begraven in halfgeleidend InP (Fe). Een 450-nm-dikke SiO₂ laag werd afgeschoten door plasma-ondersteunde chemische dampfase afscheiding (PECVD) voor isolatie rond de ridge, en elektrisch contact werd geleverd door een Ti/Au laag. Een additionele 5-µm-dikke goudlaag werd vervolgens geëlektrolytisch aangebracht om de warmteafvoer verder te verbeteren. De golfgeleiders werden gekloofd in 2-mm-lange staven, en de testen werden uitgevoerd op apparaten met geoptimaliseerde reflectiviteitsfacet coatings. Zowel de achterste facet HR coating bestaande uit Al₂O₃/Ti/Au/Ti/Al₂O₃ (400/5/100/10/200 nm) als de voorste facet AR coating bestaande uit Al₂O₃/Ge (380/33 nm) zijn afgeschoten door e-bundel verdamping. De berekende reflectiviteit van de voorste facet is 3,4% voor 4,76-µm golflengte, en de gedetailleerde relatie tussen de fluctuatie van coatingdikte en reflectiviteit is besproken in ons eerdere gepubliceerde artikel [19]. De lasers werden met de epitaxielaag naar beneden gemonteerd op SiC warmteafvoerders met indium soldeer en vervolgens draadgebonden aan een extern contactpad. Voor spectrale en elektrische karakterisatie worden de lasers gemonteerd op een Peltier element en de temperatuur wordt gemonitord op de warmteafvoer met een thermistor.

Resultaten en Discussie

Figuur 3 toont de sub-drempel emissiespectra die dynamisch veranderen van electroluminescentie tot laseren met toenemende stroom, gemeten met de Bruker Vertex 70 FTIR en een stikstof-gekoelde HgCdTe detector. Het laserspectrum net boven drempel geeft aan dat het apparaat op de fundamentele mode werkt en we kunnen duidelijk de stopband van de fundamentele mode krijgen wanneer de stroom 285 mA is. Vanuit de stopband breedte Δν = 3,076 cm⁻¹ en de effectieve index n_eff = 1/(2νΛ) = 3,153, berekenen we een koppelingscoëfficiënt κ = Δν·π·n_eff = 30,4 cm⁻¹, wat resulteert voor onze HR-gecoate 2-mm-lange cavity in een koppelingsproduct κL van 12,1, wat goed overeenkomt met onze apparaatfabricage. Het product van κL ver ver groter dan het vorige theoretische onderzoek κL ≈ 1 duidt erop dat een overgekoppeld schema is verkregen, wat gunstig is om single mode te beveiligen binnen de gehele stroom en onderzochte temperatuurbereik.

Figuur 4a toont de typische CW vermogen-stroom-spanning (P-I-V) curve van de DFB laser bij verschillende warmteafvoer temperaturen tussen 20 en 90 °C. Het uitgangsvermogen bereikt 200 mW voor het 2-mm-lange apparaat met een lage drempelstroomdichtheid van 0,65 kA/cm² bij 20 °C. De drempelspanning (V_th) van 13,2–14,2 V werd gemeten over het temperatuurbereik van 20–90 °C. Het is opmerkelijk dat mode hop alleen bestaat bij lagere warmteafvoer temperaturen onder 60 °C wat eenvoudig afgeleid kan worden uit de P-I curve. Hoge warmteafvoer temperatuur zou ervoor zorgen dat er meer warmteaccumulatie in de laser kern optreedt, zodat thermisch effect een andere mode laseren verhindert en mode hop niet zou optreden. Figuur 4b toont de P-I-V curve van de DFB laser waarop een antireflectie (AR) coating op de voorste facet is aangebracht, en we kiezen een AR coating reflectiviteit van 3,4%. Elke soepele P-I curve geeft aan dat er geen mode hop is over alle temperaturen die we meeten. Figuur 4c, d toont het laserspectrum bij verschillende stromen van 150 tot 250 mA met een stap van 25 mA. Het is duidelijk uit Fig. 4d dat we een stabiele single mode bereiken rond verschillende stromen met geoptimaliseerde AR facet coating in plaats van mode hop in Fig. 4c. De frequentie houdt altijd een lineaire relatie met injectiestroom, en de stroom tuning coëfficiënt Δν/ΔI = −0,024 cm⁻¹ mA⁻¹ bewijst dat AR coating een eenvoudige en efficiënte methode is om het probleem van mode hop in DFB-QCL's op te lossen.

Figuur 5 toont de emissiespectra van de gecoate DFB laser bij verschillende warmteafvoer temperaturen van 20 tot 90 °C. De metingen werden uitgevoerd met een NICOLET 8700 FTIR spectrometer met 0,25 cm⁻¹ resolutie in een snelle scan modus. Een enkele longitudinale mode emissie wordt waargenomen over het hele onderzochte temperatuurbereik met een side-mode suppression ratio (SMSR) van 26 dB bij hoge temperatuur van 90 °C. Zoals getoond in de inset van Fig. 5, werd het piek emissiespectrum waargenomen te verschuiven van 2100,4 cm⁻¹ bij 20 °C naar 2088,6 cm⁻¹ bij 90 °C, overeenkomend met een temperatuur tuning coëfficiënt Δν/ΔT = −0,168 cm⁻¹ K⁻¹. De goede lineaire tuning gaf aan dat er geen mode hopping plaatsvond tijdens de verandering van warmteafvoer temperatuur. Daarnaast tonen alle genoemde apparaten een dominante single laterale far-field onder CW-werk op de fundamentele mode door de nauwkeurige controle van de ridge breedte.

De CW WPE werd berekend en uitgezet als functie van de invoer elektrische vermogensverbruik in Fig. 6. Bij 20 °C werd een maximale WPE van 4,7% verkregen rond 240 mA met een uitgangsvermogen van 170 mW. De maximale WPE was nog steeds 2,9 en 0,8% bij 50 en 90 °C respectievelijk. Tot op heden waren deze waarden nog steeds zeer hoog voor de lage-drempel DFB-QCL's door onze hoge materiaalkwaliteit en geoptimaliseerde reflectiviteitsfacet coating. Men gelooft dat de WPE verder verbeterd kan worden door de geoptimaliseerde selectie van laser cavity lengtes rekening houdend met het coating effect.

Conclusies

We hebben de kamer-temperatuur CW-werk van single-mode DFB-QCL's bij λ ~ 4,76 µm gedemonstreerd. Door het aanbrengen van AR coating bestaande uit dubbele-laag dielektrisch Al₂O₃ en Ge op de voorste facet, is een stabiele single mode zonder enige mode hop onder alle stromen en temperatuursomstandigheden met succes gerealiseerd. Bij 20 °C is CW uitgangsvermogen zo hoog als 170 mW waargenomen met een zeer lage drempelstroomdichtheid van 0,65 kA/cm². Zulke apparaten vertegenwoordigen een belangrijke stap naar het gebruik van stabiele single-mode werk van DFB-QCL's in het mid-infrarood spectrale bereik voor praktische toepassingen.

Afkortingen

AR:

Antireflectie

BH:

Buried heterostructure

CW:

Continue golf

DFB:

Distributed feedback

HR:

Hoge reflectie

MBE:

Moleculaire bundel epitaxie

MOVPE:

Metaal-organische dampfase epitaxie

PDE:

Partiële differentiaalvergelijking

PECVD:

Plasma-ondersteunde chemische dampfase afscheiding

P-I-V:

Vermogen-stroom-spanning

QCL:

Quantum cascade laser

SMSR:

Side-mode suppression ratio

V_th:

Drempelspanning

WPE:

Wandplug-efficiëntie

λ/4 PS:

Een kwart-golf faseverschuiving