Hoog-Vermogen, Lage-Drempel, Stabiele Enkel-Modus Operatie in een Begraven-Gesampleerde-Rooster Quantum Cascade Laser

Samenvatting

Hoog-vermogen, lage-drempel stabiele enkel-modus operatie begraven gedistribueerde terugkoppeling quantum cascade laser door het incorporeren van een gesampleerd rooster emitterend bij λ ~ 4,87 μm wordt gedemonstreerd. Het hoge continue-golf (CW) uitgangsvermogen van 948 mW en 649 mW voor een 6-mm en 4-mm kaviteitslengte wordt verkregen bij 20 °C respectievelijk, wat profiteert van de geoptimaliseerde optische veldverdeling van het gesampleerde rooster. De enkel-modus opbrengsten van de apparaten zijn aanzienlijk verbeterd door de geknipte posities van de twee eindfacetten precies te controleren. Als resultaat worden stabiele enkel-modus emissie en modus-afstemming lineair zonder enige modus-hopping van apparaten verkregen onder verschillende heatsink-temperaturen of hoge injectiestromen.

Inleiding

Quantum cascade lasers (QCLs) zijn uitgegroeid tot een van de meest veelbelovende mid-infrarood lichtbronnen en hebben veel aandacht getrokken voor toepassingen van remote sensing, hoge-resolutie spectroscopie en industriële procesmonitoring na de eerste demonstratie vanwege de uitstekekenmerken zoals grote golflengte-dekkingsbereik, compacte formaat en hoge uitgangsvermogen. Voor die toepassingen zijn enkel-modus emissie en hoge uitgangsvermogen meestal gewenst, wat bereikt kan worden door een gedistribueerde terugkoppeling (DFB) QCL. De begraven roosterbenadering is wijd toegepast voor een kleinere golfgeleiding-verlies, lagere drempelstroomdichtheid en hogere enkel-modus opbrengsten vergeleken met het oppervlak rooster. Tot nu toe zijn een reeks significante doorbraken gebaseerd op een begraven roosterbenadering gemaakt in het verbeteren van de prestaties van DFB QCLs van enkel-modus stabiliteit en uitgangsvermogen, maar een over-gekoppelde terugkoppeling-mechanisme van begraven rooster belemmert het uitgangsvermogen om verder te verbeteren. De typische waarde van continue-golf (CW) uitgangsvermogen van begraven uniforme rooster DFB QCLs emitterend rond 4,6–5 μm is minder dan 300 mW bij kamertemperatuur. Theoretisch kan de koppelingscoëfficiënt van begraven rooster verbeterd worden door de roosterdiepte en de duty cycle te optimaliseren. Echter, de gedistribueerde terugkoppeling prestatieniveaus zijn zeer gevoelig voor het profiel van etching van rooster in de halfgeleiderlaag dicht bij het actieve gebied. Elke kleine variatie van de etching-diepte en de duty cycle zou de rooster-koppelingscoëfficiënt sterk beïnvloeden. Bovendien is het ook moeilijk om de rooster-koppeling te verbeteren door de roosterdiepte en de duty cycle precies te controleren op basis van een laag-kost holografische lithografie-techniek en natte chemische etching. Over het algemeen oscilleren conventionele DFB QCLs op twee frequenties lichtjes verschoven van de Bragg-frequentie, die kunnen lasen afhankelijk van de optische verlies beïnvloed door de facet willekeurige fase.

In dit werk stellen we het gebruik van begraven gesampleerd rooster met een kleine sampling duty cycle voor het optimaliseren van de koppelingscoëfficiënt en het verbeteren van de optische veldverdeling voor. Het prominente voordeel van deze methode is dat het in staat is de kaviteitslengte van het apparaat te vergroten voor voldoende optische winst terwijl een gewenste rooster-koppelingssterkte behouden blijft. Om de enkel-modus opbrengsten en uiteindelijke prestaties te verbeteren, wordt de geknipte positie van de twee eindfacetten precies gecontroleerd om het effect van de eindfacet willekeurige fase te vermijden. Enerzijds behoudt deze benadering de voordelen van kleine golfgeleiding-verlies voor een lage drempelstroomdichtheid en is compatibel met begraven heterostructuurverwerking. Verder wordt het gesampleerde rooster alleen gefabriceerd door conventionele holografische belichting gecombineerd met optische fotolithografie, wat leidt tot verbeterde flexibiliteit, herhaalbaarheid en kosteneffectiviteit. Als resultaat worden lage drempel en hoge-uitgangsvermogen enkel-modus DFB QCLs emitterend bij λ ∼ 4,87 μm simultaan bereikt in de begraven gesampleerde roosterstructuur. De drempelstroomdichtheid van deze DFB-QCLs is zo laag als 1,05 kA/cm² en de enkele facet produceerde 948 mW van CW uitgangsvermogen voor het apparaat met een 6-mm kaviteitslengte bij 20 °C.

Methoden

Een diagram van de uniforme rooster DFB QCL wordt getoond in Fig. 1a; de markeringen van I, II, III en IV vertegenwoordigen de mogelijke vier soorten geknipte eindfacet posities. Zoals we allemaal weten, is het moeilijk om de geknipte facet positie voor nanoschaal uniforme rooster precies te controleren. Als resultaat is de emissiemodus verschillend van apparaat tot apparaat voor de geknipte facet positie is willekeurig. Hier simuleren en berekenen we het verliesverschil van de twee zijmodes en spectra van modusverliezen van mogelijke vier soorten geknipte eindfacet posities van I, II, III en IV gebaseerd op de transfermatrixmethode door MATLAB. De absolute waarde van verliesverschil van de twee zijmodes van de vier soorten geknipte eindfacet posities van I, II, III en IV wordt getoond in Fig. 1b; de x-as wordt voorgesteld als de relatieve positie van I, II, III en IV (aannemend dat een andere facet begint met net de roosterpiek en het correspondeert met de fase van nul, dan zijn de corresponderende fasen van I, II, III en IV 0, π/2, π en 3π/2). Figuur 1c, d, e en f tonen de spectra van modusverliezen van de vier soorten geknipte eindfacet posities in detail. Zoals men heeft gezien, zijn de lasermodus en verliesverschil verschillend van apparaten tot apparaten beïnvloed door de facet willekeurige fase. Figuur 2a toont de corresponderende genormaliseerde optische veldverdeling van mogelijke vier soorten geknipte eindfacet posities van I, II, III en IV gesimuleerd door dezelfde transfermatrixmethode. Figuur 2b en c zijn de vergroting van de optische veldverdeling in de buurt van de twee eindfacetten. Zoals we hebben gezien, is de intensiteit van beide eindfacetten niet volledig symmetrisch, wat veroorzaakt wordt door een asymmetrische positie van beide eindfacetten. Hier tonen we de situatie met koppelingssterkte κ × L = 17, wat over-gekoppeld is. De lichtintensiteitspieken in het centrum van het apparaat vervallen snel naar de twee einden, wat kan leiden tot ernstige ruimtelijke gatverbranding, en omgekeerd, het handhaven van stabiele enkel-modus operatie kan moeilijk worden.

Hier nemen we een maatregel van de sampling roosterstructuur om de verdeling van optische intensiteit te verbeteren op basis van de sampling periode van P = 15 μm en een bloklengte van u = 5 μm corresponderend met de sampling duty cycle van σ = u/P = 1/3, wat getoond wordt in Fig. 3a. De verticale stippenlijn van Fig. 3a vertegenwoordigt de geknipte facet positie, die afwijkt van het blokgebied om de introductie van de eindfacet willekeurige fase te vermijden. De corresponderende effectieve koppelingscoëfficiënt κ_eff kan eenvoudig gegeven worden door het product van de koppelingscoëfficiënt κ van de uniforme rooster maal de duty cycle σ van de sampling rooster, dat is, κ_eff = κ × σ. Dus de koppelingscoëfficiënt van de sampling rooster kan willekeurig aangepast worden door de duty cycle van het gesampleerde rooster, wat ten goede komt voor het optimaliseren van de koppelingssterkte van de sampling rooster. Als resultaat kan het uitgangsvermogen verbeterd worden. Figuur 3b toont de berekende transmissiespectrum van gesampleerd rooster gebaseerd op de transfermatrixmethode en de gemeten electroluminescentie (EL) spectrum onder gepulste conditie. De λ₋₁ en λ₊₁ zijn de additionele super-modes geïntroduceerd door het gesampleerde rooster. De aangrenzende spectrale afstand van super-modes kan berekend worden door Δλ = λ_B²/(2n_effP) waar n_eff de effectieve index van de golfgeleiding is en λ_B de Bragg-golflengte van de basis uniforme rooster. Hoewel het bestaan van super-modes de enkel-modus stabiliteit kan beïnvloeden, kunnen de super-modes ver weg van de wincurve centrum worden ontworpen door een kleine sampling periode P te kiezen volgens de formule van spectrale afstand van super-modes. In onze studie zijn de basis Bragg roosterperiode Λ, sampling periode P, effectieve index van de golfgeleiding n_eff en duty cycle σ 0,758 μm, 15 μm, 3,21 en 1/3 respectievelijk, dus de aangrenzende spectrale afstand van super-modes is ongeveer 246 nm. Zoals Fig. 3b toont, is de Bragg-golflengte (0de orde) ontworpen rond de piek van de wincurve, terwijl de + 1ste- en − 1ste-orde golflengte 246 nm van de wincurve centrum afzonderlijk verwijderd zijn. Ten slotte kan stabiele enkel-modus laseren op de 0de orde modus in onze studie bereikt worden. Figuur 4a toont de gesimuleerde optische veldverdeling van de sampling rooster bij verschillende injectiestromen. Zoals kan worden gezien, is er een dramatische verbetering in de optische veldintensiteitsverdeling voor de sampling roosterstructuur bij de twee eindfacetten, wat correspondeert met een grote verbetering in uitgangsvermogen. Figuur 4b is een vergroting van de optische veldverdeling in de buurt van een van de eindfacetten, en Fig. 4c toont de gedetailleerde variatie van de optische veldrelatieve intensiteit bij de eindfacet met injectiestromen. Zoals getoond in Fig. 4b, is het profiel van de optische veldverdeling niet glad maar fluctuerend. De fluctuatie wordt veroorzaakt door de "interface reflectie" tussen het blokgebied en niet-roostergebied in elke sampling periode wat een "gelokaliseerde" energiedichtheidsconcentratie langs de kaviteit induceert. Bovendien, zoals getoond in Fig. 4c, is de variatie van relatieve intensiteitsverdeling van de eindfacet niet-lineair met de injectiestromen, wat niet-lineariteit in de vermogen-stroom kurve van apparaten kan veroorzaken.

De QCL-structuur werd gegroeid op een n-InP (Si, 2 × 10¹⁷ cm⁻³) substraat door vast-stof moleculaire bundel epitaxie (MBE). De actieve kern bestond uit 40 trappen van spanning-gecompenseerde In_0.67Ga_0.33As/In_0.37Al_0.63As kwantumputten en barrières die het elektron-overgangskanaal leverden om fotonen te produceren, wat omringd werd door de bovenste en onderste InGaAs insluitingslagen. Het rooster werd gedefinieerd op de bovenste InGaAs insluitingslaag met een dubbele-bundel holografische lithografie-techniek gecombineerd met conventionele optische lithografie. Vervolgens werd de bovenste golfgeleidingslaag gegroeid door metaal-organische dampfase epitaxie (MOVPE). Daarna werd de wafer verwerkt tot een dubbele-kanaal ruggengolfgeleider laser met een gemiddelde kernbreedte van ongeveer 10 μm gevuld met half-isolerend InP:Fe voor efficiënte warmteverwijdering. Een 450-nm-dikke SiO₂ laag werd vervolgens gedeponeerd door plasma-verbeterde chemische dampfase depositie (PECVD) voor isolatie, en elektrisch contact werd geleverd door een Ti/Au laag gedeponeerd door elektronenbundel verdamping. Een additionele 5-μm-dikke goudlaag werd geëlectroplateerd voor het verbeteren van warmteafvoer. Na het dunner maken tot ongeveer 140 μm, werd een Ge/Au/Ni/Au metaalcontactlaag gedeponeerd op de substraatzijde. Vervolgens werden de golfgeleiders geknipd in 4-mm- en 6-mm-lange staven, en de hoge reflectiviteit (HR) coating bestaande uit Al₂O₃/Ti/Au/Al₂O₃ (200/10/100/120 nm) werd op een van de facetten gedeponeerd door elektronenbundel verdamping, wat een onbeschreven facet achterliet voor de meting van rand-emissievermogen. Ten slotte werden de lasers gemonteerd met de epitaxielaag kant naar beneden op een diamant heatsink met een indium soldeer, die vervolgens op koper heatsinks gesoldeerd werden voor effectieve warmteafvoer.

Resultaten en Discussie

De spectra van apparaten werden getest door een Fourier-transformatie infrarood spectrometer met een resolutie van 0,25 cm⁻¹. De lasers werden vervolgens gemonteerd op een houder met een thermistor gecombineerd met een thermoelektrische koeler om de sub-mount temperatuur te monitoren en aan te passen. De uitgezonden optische vermogen werd gemeten met een gecalibreerde thermopile-detector geplaatst voor de laserfacet zonder enige correctie.

Figuren 5 en 6 tonen de emissiespectra en licht-stroom-spanning (L-I-V) kenmerken van de apparaten met een 4-mm en 6-mm kaviteitslengte gesampleerde rooster DFB QCLs respectievelijk. Zoals men heeft gezien, variëren de spectra lineair met de injectiestroom of temperatuur tijdens alle testprocessen. In CW-modus is het maximum optische vermogen van apparaten 649 mW en 948 mW bij 20 °C voor een 4-mm en 6-mm kaviteitslengte bij 1,2 A en 1,4 A respectievelijk. Daarnaast wordt de lage CW-drempelstroomdichtheid van apparaten van 1,59 kA/cm² en 1,05 kA/cm² bij 20 °C voor een 4-mm en 6-mm kaviteitslengte bereikt, wat de voordeel van kleine golfgeleiding-verlies en lage drempelstroomdichtheid van begraven rooster volledig weerspiegelt. Zoals we hebben waargenomen uit de lasing-spectra, is de lasermodus lineair met de veranderingen van temperatuur of injectiestroom, wat aangeeft dat modus-hopping niet gebeurt in de loop van de verandering van injectiestroom of temperatuur. Echter, de vermogen-stroom kurven zijn niet lineair, wat veroorzaakt wordt door de fluctuaties van de optische veldverdeling van de sampling roosterstructuur en de niet-uniforme verandering optische veldintensiteit van de eindfacetten met de injectiestromen geanalyseerd eerder.

Figuur 7 toont de ver-verstrooiing profielen van het apparaat bij gepulste operatie ongeveer 1,25 × I_th bij kamertemperatuur. Figuur 7a toont het ver-verstrooiing profiel langs de ruggen-breedte richting, en Fig. 7b toont het ver-verstrooiing profiel langs de epitaxiale groei richting. Experimentele studies hebben aangetoond dat een fundamentele transversale modus makkelijker de lasermodus kan worden in een begraven roosterstructuur dan in een oppervlakte metaal roosterstructuur omdat het verlies van fundamentele transversale modus toeneemt door de koppeling tussen fundamentele transversale modus en de bovenste metaalcontact in een oppervlakte metaal roosterstructuur. Volgens dat, is het ver-verstrooiing profiel van de fundamentele transversale modus met de volle breedte op half maximum (FWHM) van 28,2° langs de richting van ruggen-breedte verkregen in ons experiment. Dus een ander duidelijk voordeel van begraven roosterconformatie wordt getoond dat lasermodus over het algemeen een fundamentele transversale modus is met een enkele-lob ver-verstrooiing profiel, wat gunstig is voor collimatie. Daarnaast wordt een grote FWHM van 50,1° langs de epitaxiale groei richting verkregen vanwege kleine emissieopening die van dezelfde orde is als de golflengte.

Conclusies

Samenvattend, lage-drempel, hoge-uitgangsvermogen stabiele enkel-modus emissie sampling rooster DFB QCLs zijn bereikt. Het maximum CW uitgangsvermogen en drempelstroomdichtheid zijn 0,948 W (0,649 W) en 1,05 kA/cm² (1,59 kA/cm²) voor een 6-mm (4 mm) kaviteit. Een grote verbetering in verdeling van het optische veld is gerealiseerd door het introduceren van de kleine gesampleerde duty cycle om de koppelingssterkte te verminderen. Een enkele lob ver-verstrooiing profiel wordt ook waargenomen. Dus voor begraven gedistribueerde terugkoppeling quantum cascade lasers, het incorporeren van gesampleerd rooster is een eenvoudige en effectieve methode om apparaten te bereiken met hoge-uitgangsvermogen, lage-drempel, stabiele enkel-modus emissie en hoge enkel-modus opbrengsten.

Afkortingen

CW:

Continue golf

DFB:

Gedistribueerde terugkoppeling

EL:

Electroluminescentie

FWHM:

Volle breedte op half maximum

HR:

Hoge reflectiviteit

L–I–V:

Licht-stroom-spanning

MBE:

Moleculaire bundel epitaxie

MOVPE:

Metaal-organische dampfase epitaxie

PECVD:

Plasma-verbeterde chemische dampfase depositie

QCL:

Quantum cascade laser