Hoogvermogen getapte Quantum Cascade Laser-arrays met Talbot-caviteit integratie

Samenvatting

Vermogensschaling in brede-gebied Quantum Cascade Lasers (QCL) leidt meestal tot verslechtering van de straalkwaliteit met een emissiepatroon van meerdere lobben in het verre veld. In deze brief demonstreren we een getapte QCL-array geïntegreerd met een Talbot-caviteit aan één kant van de array. Fundamentele supermodus-werking wordt bereikt in arrays met rechte-eind verbonden met de Talbot-caviteit. Het laterale verre-veld van de fundamentele supermodus toont een nabij-diffractielimiet straaldivegentie van 2,7°. De uitgangsvermogen van een vijf-elementen array is ongeveer drie keer zo hoog als een enkele-rug laser met een emissiegolfengte van rond 4,8 μm. Arrays met het tapereind verbonden aan de Talbot-caviteit tonen echter altijd een hogere-orde supermodus-werking, ongeacht de Talbot-caviteitslengte.

Achtergrond

De Quantum Cascade Laser (QCL), uitgevonden in 1994, is een van de belangrijkste lichtbronnen in het midden- en ver-infrarood vanwege de golfengteflexibiliteit en draagbaarheid. Populaire toepassingen van QCL's omvatten veelgebieden zoals vrije-ruimte optische communicatie en gerichte infrarood contramaatregelen (DIRCM), sporen chemische detectie van explosieven, toxicstoffen, vervuilende stoffen, en medische testen. Sommige toepassingen vereisen altijd hoge uitgangslichtvermogen voor betere verstoringseffecten en detectienauwkeurigheid. Hoogvermogen QCL's kunnen verkregen worden door de breedte van het actieve gebied te verbreden. Echter, een simpele verbreiding van de rug zonder golffuidaanleg of externe optica zal de straalkwaliteit van QCL's verslechteren met een emissie van meerdere lobben in het verre-veldpotentieel. Enkel-lobbe-emissie is in het verleden verkregen met methoden zoals fotonische kristal gedistribueerde terugkoppeling (PCDFB) QCL's, hoekige-caviteit QCL's, master-oscillator power-amplifier QCL's, en brede-gebied QCL's via externe terugkoppelingsmechanismen. Recent zijn gefase-vergrendelde arrays populaire benaderingen om brede-rug QCL's te laten emitteren met coherente smalle straalpatronen.

Gefase-vergrendelde arrays zijn sinds de jaren 1980 bedreven toegepast in brede-rug en lage-divergentie halfgeleiderlasers. In eerdere werken zijn gefase-vergrendelde QCL-arrays bestudeerd in Y-knoop arrays, resonant lek-golf-gekoppelde arrays, en evanescent-golf-gekoppelde arrays, zoals de nabij-infrarood laser in het verleden deed. Deze structuren brengen ofwel grote verliezen in de golffuidaanleg met zich mee, of resulteren in warmte-accumulatie door het nastreven van een korte aangrenzende afstand om koppeling te verkrijgen. Recent werden diffractie-gekoppelde QCL-arrays gerapporteerd die een zijcaviteit integreerden gebaseerd op diffractie-gekoppelde Talbot-effecten. In de diffractie-gekoppelde structuur vindt de koppeling plaats in de Talbot-caviteit door de diffractie van het rug-eind en reflectie van de caviteitsfacet. De diffractie-gekoppelde gefase-vergrendelde QCL-array-elementen kunnen op een grote afstand geplaatst worden, wat warmte-accumulatie vermindert.

Het Talbot-effect is een welbekend optisch fenomeen waarbij een periodieke structuur zelf-beelden kan produceren op bepaalde regelmatige afstanden. Dit effect is benut om lasers in het nabij-infrarood te fase-vergrendelen, wat de diffractie-koppelingsschema gefase-vergrendelde array genoemd wordt. In deze methode moet een vlakke spiegel voor de caviteitsfacet van de laserarray geplaatst worden om optische terugkoppeling te bieden. De lengte tussen de spiegel en de array-facet wordt de zogenaamde Talbot-afstand, gedefinieerd als

$$ {Z}_t=\frac{2n{d}^2}{\lambda } $$

waarbij n de brekingsindex van het materiaal is, d de centrum-tot-centrum afstand van de array, en λ de vrije-ruimte golfengte. De supermodussen die in de array-kanalen gereflecteerd worden, verkrijgen de zelf-reproductieve oscillatie. Figuur 1 toont de verdeling van de fundamentele supermodus en hogere-orde supermodus in een fractionele Talbot-afstand. Eenmaal de supermodussen in de Z_t/4 positie gereflecteerd in de array-kanalen, zal de fundamentele supermodus-superpositie en -werking worden geëxtraheerd.

Fundamentele en hogere-orde supermodusverdeling op fractionele Talbot-vlakken. Blauwe ovalen corresponderen met fundamentele supermodussen, en bruine ovalen corresponderen met hogere-orde supermodussen

De uitgangsvermogen van Talbot-caviteit gefase-vergrendelde QCL-arrays is beperkt vanwege een lage koppelings-efficiëntie tussen de Talbot-caviteit en de array-kanalen. Om de uitgangsvermogen van de Talbot-caviteit QCL-arrays verder te verhogen, moet de vulfactor (verhouding van rugbreedte tot periode) verhoogd worden. Terwijl het verbreden van de kanaalbreedte een hogere-orde modus-emissie van de array-elementen zal veroorzaken. Het verminderen van de centrum-tot-centrum afstand zal de warmte-accumulatie verhogen. Tapestructuur is een van de beste methoden om de vulfactor te verhogen tegelijkertijd een fundamentele modus-werking van de enkele rug zelf te garanderen. In deze brief worden tapestructuren benut en de Talbot-caviteiten geïntegreerd aan één kant van de tapestructuren respectievelijk. De apparaten met rechte-eind verbonden met Talbot-caviteit tonen een fundamentele supermodus-werking met een nabij-diffractielimiet (D.L.) verre-velddivegentie van 2,7°. In tegenstelling tonen de apparaten met tapereind verbonden met Talbot-caviteit hogere-orde supermodus-werking, ongeacht de Talbot-caviteitslengte. Een maximum piekvermogen van 1,3 W wordt verkregen voor de apparaten met rechte-eind verbonden met Talbot-caviteit met een drempelstroomdichtheid van 3,7 kA/cm² en een hellingsefficiëntie van 0,6 W/A bij 298 K.

Methoden

De QCL-wafer werd gegroeid op een n-gedopeerde (Si, 2 × 10¹⁷ cm⁻³) InP-substraat-wafer door vaste-bron moleculaire bundel epitaxie (MBE). De actieve regio (AR) structuur bestaat uit 35 periodes van spanningsgecompenseerde In_0,67Ga_0,33As/In_0,37Al_0,63As quantum wells en barrières. De hele waferstructuur voor de fabricage is 4 µm lagere InP-kledinglaag (Si, 3 × 10¹⁶ cm⁻³), 0,3-µm-dikke n-In_0,53Ga_0,47As-laag (Si, 4 × 10¹⁶ cm⁻³), 35 actieve/injector-stadia, 0,3-µm-dikke n-In_0,53Ga_0,47As-laag (Si, 4 × 10¹⁶ cm⁻³), 2,6-µm InP bovenste kledinglaag (Si, 3 × 10¹⁶ cm⁻³), 0,15-µm InP geleidelijk gedopeerde laag (veranderend van 1 × 10¹⁷ tot 3 × 10¹⁷ cm⁻³), en 0,4-µm hoog-gedopeerde InP-kledinglaag (Si, 5 × 10¹⁸ cm⁻³).

Na de epitaxie in MBE, werden de apparaten geëtst met de natte chemische etsmethode en vervolgens 450 nm SiO₂ gedeponeerd met plasma-versterkte chemische dampdepositie (PECVD). Na het openen van het elektrische injectievenster, werd de topmetaalcontact gevormd. De twee secties van de Talbot-caviteit en Getapte array zijn elektrisch verbonden door de Au-topcontact. Vervolgens werd de wafersubstraat gedund en de bodemcontactmetaalcontacten verdampt. De wafer werd in ongeveer 2 mm lange stukken gekleefd met een zaag om de Talbot-caviteitslengte nauwkeurig te controleren. Tot slot werden de apparaten gesoldeerd epitaxielaag kant naar beneden op de koperen warmtesink met indium solder. Aangezien de Talbot-caviteitsectie elektrisch geïnjecteerd is, zal de warmte accumuleren voor zijn brede dimensie, wat in toekomstig werk vermeden moet worden door elektrische isolatie toe te passen. De Talbot-caviteitsectie kan waarschijnlijk vervangen worden door ander golffuidaanlegmateriaal door ingewikkelde fabricage zoals wafer-bonding en uitlijning, en de gefase-vergrendelde werking kan nog steeds bereikt worden. Volgens de supermodusverdeling van de Talbot-caviteit in Fig. 1, werd onze Talbot-caviteitslengte bepaald als Z_t/8 vergelijkbaar met ref. [19] wat rond 104 µm is in deze brief. Figuur 2 toont de schets en microscopische afbeeldingen van het apparaat. De arrays bevatten vijf tapselementen en een Talbot-caviteit. Het tapselement bestaat uit een 1-mm-lang tapereind en ~ 0,9-mm-lang rechte-eind met een breedte variërend van 10 tot 16 µm. De centrum-tot-centrum afstand tussen aangrenzende elementen in de array is 25 µm, en de lengte van elk laserapparaat is rond 2 mm. De lengte van de Talbot-caviteit in dit papier is allemaal rond 104 µm.

a Schets van het tapselement in de arrays; de 3D-schematekening van de arrays met b rechte-eind verbonden met Talbot-caviteit en c tapereind verbonden met Talbot-caviteit, overeenkomend met de voorste-facet microscopische afbeeldingen van d en e

Resultaten en discussie

Volgens de gekoppelde-modustheorie is het aantal supermodussen in gefase-vergrendelde array gelijk aan het aantal elementen. Bijvoorbeeld, een gefase-vergrendelde array met vijf elementen zal vijf supermodussen hebben. Aannemend alleen de aangrenzende koppeling tussen de array-elementen in de Talbot-caviteit, kan de nabij-velddistributiepatroon van de verschillende orde supermodus verkregen worden met de gekoppelde matrix. De nabij-veldkracht veranderend als functie van de array laterale dimensie kan gedemonstreerd worden als:

$$ {E}_j\propto \sum \limits_{m=1}^M\sin \left(\frac{mj}{M+1}\pi \right)\exp \left[-\frac{{\left(x-{x}_m\right)}^2}{\omega^2}\right] $$

waarbij j de orde van de supermodus is, M het aantal array-elementen, ω de taille van de Gauss-bundel in elk element, en x_m de centrale locatie van elk element. De simulatie-resultaten van verschillende orde supermodussen worden getoond in Fig. 3a. De corresponderende verre-veldpaterns kunnen afgeleid worden met de Fourier-transformatie van de nabij-velddistributie, zoals getoond in Fig. 3b.

a Berekende nabij-veldpaterns van de N = 1, 3, 5 orde supermodussen in een vijf-elementen diffractie-gekoppelde array. De fundamentele supermodus (N = 1) is berekend gebaseerd op de rechte-eind verbonden met de Talbot-caviteit, en de hogere-orde supermodussen (N = 3, 5) zijn gebaseerd op tapereind verbonden met de Talbot-caviteit. b De gesimuleerde verre-veldpaterns volgens a. c De gemeten verre-velddistributie van QCL-array met rechte-eind verbonden met een Talbot-caviteit. d De gemeten verre-velddistributie van QCL-array met tapereind verbonden met een Talbot-caviteit

De verre-veldpaterns van de Talbot-caviteit gefase-vergrendelde arrays werden gemeten vanuit de array-golffuidaanlegfacet met de lock-in techniek met een kamertemperatuur kwik-cadmium-telluride (MCT) detector. De QCL-array gemonteerd op een rotatiestep werd ~ 25 cm van de MCT-detector geplaatst en gecontroleerd door een zelfgebouwde software voor dataverzameling. De gemeten verre-veldpaterns van Talbot-caviteit arrays worden getoond in Fig. 3c, d, overeenkomend met het rechte-eind verbonden met de Talbot-caviteit apparaat en het tapereind verbonden met de Talbot-caviteit apparaat. De verre-velddistributies in Fig. 3c tonen sterke centrale lobben bij 0°, wat het bestaan van fundamentele supermodus-werking aangeeft volgens de koppel-modustheorie. De volle breedte op halve maximum (FWHM) is rond 2,7°, wat een diffractielimiet (D.L.) divergentiehoek aantoont volgens de D.L. formule: sin θ = 1,22λ/d, waarbij θ de D.L. hoek is, λ de golfengte, en d de lichtuitgangsbreedte van de array. Voor een getapte enkele emitter met een lichtuitgangsbreedte van 16 µm, is de D.L. FWHM divergentie rond 21°. De zijlobben verschijnen rond ~ 12° wat zeer dicht bij de FWHM-locatie van de enkele emitter verre-veldhulvlakte ligt. De intensiteiten van de centrale lob en zijlobben corresponderen met de verdeling van de enkele emitter verre-veldpaterns. Dus hebben de zijlobben de helft van de intensiteit van de centrale lob. Bovendien kan een enkel-lobbe verre-veldpaterns array verkregen worden door de rugbreedte te vergroten om de divergentie van array-elementen te verminderen. De bredere rugbreedte kan bereikt worden door de taper te verbreden. De verre-veldpaterns in Fig. 3d hebben geen lob op centrum 0° positie, maar zijn voornamelijk dubbel-gelobd, wat de werking van hogere-orde supermodussen aangeeft, wat overeenkomt met de derde-orde supermodus in Fig. 3b. Om de fundamentele supermodus-werking te verkrijgen, fabriceren we apparaten met verschillende Talbot-caviteitslengtes van 90 tot 110 µm in stappen van 1 µm. Helaas kan de fundamentele supermodus-werking in het apparaat met tapereind verbonden met de Talbot-caviteit niet verkregen worden, ongeacht de Talbot-caviteitslengte.

De verre-velresultaten van de twee typen arrays kunnen verklaard worden met het theoretische model in ref. [19, 21]. De Talbot-caviteit kan benaderd worden als een reflectiespiegel met verschillende equivalentereflectiviteit voor verschillende supermodussen; de hoge equivalente reflectiviteit betekent een hoge winstefficiëntie en een lage drempelwinst. De berekening en simulatie van de equivalente reflectiviteit zijn vergelijkbaar met ref. [19]. Figuur 4 toont de simulatie-resultaten van equivalente reflectiviteit voor verschillende orde supermodussen veranderend als functie van de Talbot-caviteitslengte. Aangezien de N = 2, 4 orde supermodussen in gefase-vergrendelde arrays altijd grotere golffuidaanlegverliezen hebben dan N = 1, 3, 5 orde supermodussen, worden ze in de simulatie hier genegeerd. Voor de rechte-eind verbonden met Talbot-caviteit arrays, heeft de fundamentele supermodus de hoogste equivalente reflectiviteit en grote discriminatie ten opzichte van de hogere-orde supermodussen rond Z_t/8. Voor het tapereind verbonden met de Talbot-caviteit, is de discriminatie tussen de fundamentele supermodus en hogere-orde supermodus relatief klein. In dit geval neigt de laser om te werken met derde-orde supermodussen door zwakke modusdiscriminatie in het tapereind verbonden met de Talbot-caviteit apparaat.

Theoretische equivalente reflectiviteitsintensiteit van de Talbot-caviteit verandert als functie van de Talbot-caviteitslengte voor N = 1, 3, 5 orde supermodussen van een vijf-elementen Talbot-caviteit QCL-array, de bovenste toont de rechte-eind verbonden met de Talbot-caviteit en de onderste toont de tapereind verbonden met Talbot-caviteit

De uitgezonden optische vermogen werd gemeten met een gecalibreerde thermopile-detector geplaatst direct voor de laser-golffuidaanlegfacet. De spectrummetingen werden uitgevoerd met een Fourier-transformatie infrarood (FTIR) spectrometer met 0,25 cm⁻¹ resolutie in snelle scanmodus. Figuur 5a toont de vermogen-stroom (P-I) karakteristiek onder gepulste modus met stroomstuurder gehandhaafd bij 2 kHz met een duty cycle van 0,2%. Voor het apparaat met rechte-eind verbonden met de Talbot-caviteit QCL-array, wordt een totaal piekvermogen van 1,3 W verkregen bij 298 K met een drempelstroomdichtheid van 3,7 kA/cm² en een hellingsefficiëntie van 0,6 W/A, corresponderend met 1,6 W uitgangsvermogen met een drempelstroomdichtheid van 3,4 kA/cm² en een hellingsefficiëntie van 0,65 W/A voor de tapereind array zoals getoond in blauwe lijn en paarse lijn. Als contrast, het enkele laserapparaat met 2-mm-lang × 10-µm-brede rug toont een maximum piekvermogen van 0,41 W, een drempelstroomdichtheid van 3 kA/cm², en een hellingsefficiëntie van 1 W/A. De uitgangsvermogen van de arrays met de fundamentele werking is drie keer die van de enkele emitter. Om de geteste resultaten bondiger te presenteren, worden de uitgangskarakteristieken van drie apparaten samengevat in Tabel 1. De gemiddelde uitgangsvermogen per element is ongeveer 63% van de enkele emitter, wat hoger is dan in ref. [19]. Ref. [26] rapporteert een gefase-vergrendelde QCL-array met een intra-caviteit Talbot-filter met de gemiddelde vermogen van individueel array-element gelijk aan 43% van een enkele emitter. De efficiëntie is lager dan de apparaten met één knoop tussen de Talbot-caviteit en de array-elementen vanwege additionele optische verlies in de twee cirkelvormige knopen veroorzaakt door de natte etsmethode. Ref. [27] rapporteert een zes-elementen apparaat geïntegreerd met een Talbot-caviteit met vijf keer uitgangsvermogen van enkele emitter met een koppelings-efficiëntie van ongeveer 83%. De lagere efficiëntie in onze apparaten is waarschijnlijk door sterkere randdiffractieverliezen in de Talbot-caviteit en de fabricage met natte etsmethode. Het volgende werk zou de droge etsmethode moeten adopteren en de taper-zone lengte vergroten om verdere vermogensschaling te verkrijgen. Het inset van Fig. 4a toont het laserspectrum van de gefase-vergrendelde arrays bij kamertemperatuur en 1,3 I_th. De centergolfengte werd gemeten op 4,8 µm met een multi-mode aard als gevolg van het gebrek aan een longitudinale-modus selectiemechanisme. Het enkel-modus spectrum kan bereikt worden door een gedistribueerde terugkoppeling (DFB) rooster op de bovenste kledinglaag te introduceren. De thermische karakteristiek van brede QCL's en QCL-arrays worden gesimuleerd met de eindige-elementen software COMSOL. De vaste rugbreedte is ingesteld als 10 µm en de tussenruimte van de array-elementen variërend van 0 tot 20 µm met een stap van 5 µm. Figuur 5b toont de temperatuur van AR veranderend als functie van de array-elementen tussenruimte. De temperatuur van AR in het brede-rug apparaat is ongeveer 20 K hoger dan in het Talbot-caviteit apparaat.

a Totaal piekvermogen verandering als functie van de injectiestroom bij 298 K voor rechte-eind (blauwe lijn)/tapereind (paarse lijn) verbonden met de Talbot-caviteit QCL-array en een 2-mm-lang × 10-µm-brede enkele laser (groene lijn). Alle apparaten hebben geen coating aan beide kanten van de caviteit. De stuurder wordt gehandhaafd bij 2 kHz met een duty cycle van 0,2%. Het inset is het laserspectrum van de rechte-eind arrays bij 1,3 keer drempelstroom, wat gepiekt rond 4,8 µm. b De actieve regio temperatuur van QCL-array veranderend als functie van array-elementen tussenruimte. De array-elementen rugbreedte is vastgezet als 10 µm, en de tussenruimte verandert van 0 tot 20 µm met een stap van 5 µm

Conclusie

Concluderend, hebben we getapte QCL-arrays geïntegreerd met Talbot-caviteiten in rechte-eind en tapereind respectievelijk gedemonstreerd. De apparaten met de Talbot-caviteit geïntegreerd aan de rechte-eind tonen een fundamentele modus verre-veldpaterns met een D.L. divergentie van 2,7° bij een emissiegolfengte van 4,8 µm. Een uitgangsvermogen van 1,3 W wordt verkregen voor de rechte-eind array met een hellingsefficiëntie van 0,6 W/A. Aangezien de Talbot-caviteit gefase-vergrendelde array geen zeer dicht koppelingsafstand vereist, is de warmte-accumulatie lager dan de evanescent-golf-gekoppelde arrays. Zulke apparaten hebben potentieel voor hoge helderheid QCL-arrays van hoge duty-cycle werking met D.L. divergentie. Toekomstig werk zou zich moeten richten op de selectie van een geschikte array-element rugbreedte en tussenruimte, het gebruik van begraven rug golffuidaanleg, en het thermisch beheer met micro-inspuitingskoelers. Daarnaast zal het verminderde kaskade-aantal van de AR een grote bijdrage leveren aan de hoge duty-cycle werking van hoge helderheid QCL's.

Afkortingen

AR:

Actieve regio

CW:

Continu golf

D.L.:

Diffractielimiet

DFB:

Gedistribueerde terugkoppeling

FWHM:

Volledige breedte op halve maximum

I_th:

Drempelstroom

MBE:

Moleculaire bundel epitaxie

MCT:

Kwik-cadmium-telluride

MOVPE:

Metaal-organische dampfase epitaxie

PECVD:

Plasma-versterkte chemische dampdepositie

P-I:

Vermogen-stroom

QCL:

Quantum Cascade Laser

WPE:

Wand-stekker efficiëntie