DFB квантовые каскадные лазеры с низким энергопотреблением, излучающие субстрат

Фон

В последние годы квантовые каскадные лазеры (ККЛ) претерпели быстрое развитие и стали наиболее многообещающим источником в средней инфракрасной области частот [1,2,3]. ККЛ с распределенной обратной связью (DFB), обладающие высокой мощностью, одномодовым режимом работы и компактными размерами, широко используются во многих приложениях, таких как отслеживание газовых примесей, обмен данными в свободном пространстве и анализ веществ [4,5,6]. Однако оставшимся недостатком QCL является их высокая рассеиваемая электрическая мощность, что ограничивает их применение в некоторых портативных и высокоинтегрированных системах. Самый простой способ уменьшить рассеиваемую мощность - уменьшить геометрические размеры устройства, например, укоротить полость и сузить выступ. Покрытие с высокой отражательной способностью (HR) также очень эффективно для уменьшения потерь в зеркале. Были проведены некоторые исследования по снижению порогового рассеяния мощности ККЛ Фабри-Перо (FP) за счет использования короткого резонатора и нанесения покрытия HR [7] или покрытия с частичным высоким коэффициентом отражения (PHR) на грани [8], в котором рассеиваемая мощность всего 1,2 Вт при 22 ° C и 0,83 Вт при 25 ° C была продемонстрирована AC Richard et al. и Y. Bai et al., соответственно. Эти методы также могут быть применены к устройствам DFB. В 2014 году Райан М. Бриггс и др. сообщили об одномодовом DFB QCL, излучающем на длине волны 4,8 мкм, с пороговой потребляемой мощностью в непрерывном режиме 0,76 Вт и максимальной оптической мощностью около 17 мВт при 20 ° C [9]. В 2015 г. A. Bismuto et al. продемонстрировали одномодовые DFB QCL с коротким резонатором и узким гребнем, излучающие на длине волны 4,5 мкм с пороговой рассеиваемой мощностью в непрерывном режиме всего 0,5 Вт при 20 ° C [10]. Максимальная оптическая мощность около 150 мВт; однако вводимая электрическая мощность составляет более 6 Вт. Были исследованы и другие методы, такие как оптимизация легирования и низкопериодическая активная структура [7, 11]. Для ККЛ с краевым излучением покрытие HR обычно наносят на заднюю грань и оставляют переднюю грань без покрытия или с покрытием PHR, чтобы уменьшить потери в зеркале, сохраняя при этом оптическую мощность, излучаемую от передней грани. Вместо этого обе грани могут быть покрыты HR для излучения подложки, чтобы дополнительно уменьшить потери в зеркале, поскольку свет излучается с подложки, а не с передней грани. Кроме того, улучшенных распределений в дальней зоне можно ожидать от ККЛ, излучающих подложку [12, 13]. Согласно нашей недавней работе, DFB QCL, излучающий подложку, с низкой пороговой мощностью рассеяния 1,27 Вт при 20 ° C был получен путем нанесения HR-покрытия на обе грани [14]. Активная область в [14] состоит из 40 периодов сверхрешетки, а пороговое напряжение составляет около 13 В. Более низкое пороговое напряжение и, следовательно, более низкое пороговое рассеяние мощности можно ожидать, если количество периодов активной области уменьшается. Длину резонатора на 1 мм также можно было бы дополнительно сократить, правильно спроектировав скрытую решетку второго порядка для уменьшения порогового рассеяния мощности.

В настоящей работе был разработан DFB QCL со сверхнизким энергопотреблением, излучающий на подложке. Пороговая мощность рассеивания при работе в непрерывном режиме составляет всего 0,4 Вт при 15 ° C и 0,43 Вт при 25 ° C за счет уменьшения длины резонатора до 0,5 мм и нанесения покрытия HR на обе грани. Максимальная оптическая мощность в режиме CW составляет 2,4 мВт при 25 ° C, что достаточно для приложений спектроскопии. Одномодовое излучение достигалось за счет использования скрытой решетки второго порядка. Углы расхождения 22,5 ^o и 1,94 ^o полная ширина на полувысоте (FWHM) в направлении ширины гребня и направлении длины полости, соответственно. Двухлепестковое распределение в дальней зоне в направлении длины резонатора указывает на то, что предпочтение отдается антисимметричному режиму. Эти устройства могут работать в режиме CW без переключения режимов в широком диапазоне температур от 15 до 105 ° C и будут очень подходящими для портативных приложений с высокой степенью интеграции.

Методы

В основе активной области прибора лежит двухфононная резонансная конструкция с компенсацией деформации, излучающая на длине волны ~ 4,6 мкм. Пластина была выращена на n-легированном (Si, 2 × 10 ¹⁷ см ^{- 3} ) Подложка InP методом молекулярно-лучевой эпитаксии с твердым источником (MBE). Тридцать этапов In _0.67 Ga _0,33 As / In _0,36 Al _0,64 Поскольку квантовые ямы и барьеры были включены в активную сердцевину, что было аналогично работе [5]. [15] Вся последовательность слоев была следующей:нижний слой оболочки толщиной 1,2 мкм (Si, 2,2 × 10 ¹⁶ см ^{- 3} ), N-In _0,53 толщиной 0,3 мкм Ga _0,47 Как слой (Si, 4 × 10 ¹⁶ см ^{- 3} ), 30 активных / инжекторных каскадов, n-In _0,53 толщиной 0,3 мкм Ga _0,47 Как слой (Si, 4 × 10 ¹⁶ см ^{- 3} ), и игрок верхней оболочки волновода. Для изготовления скрытой решетки верхний слой оболочки волновода был удален до верхнего слоя InGaAs. Решетка второго порядка с периодом Λ =1,42 мкм (рабочий цикл σ =0,45, глубина d =130 нм) определяли на верхнем слое InGaAs толщиной 0,3 мкм методами голографической литографии и влажного химического травления. На рис. 1а показано изображение скрытой решетки второго порядка, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ). После этого наносился низколегированный слой InP толщиной 3 мкм (Si, 2,2 × 10 ¹⁶ см ^{- 3} ), за которым следует постепенно легированный слой InP толщиной 0,15 мкм (Si, от 1 × 10 ¹⁷ до 3 × 10 ¹⁷ см ^{- 3} ) и покрывающий слой из высоколегированного InP толщиной 0,4 мкм (Si, 5 × 10 ¹⁸ см ^{- 3} ) были выполнены последовательно в виде верхней оболочки методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений (MOVPE).

а СЭМ-изображение заглубленной решетки и b смоделированные коэффициент связи и прочность связи скрытой решетки второго порядка с помощью COMSOL

После выполнения повторного роста пластина была вытравлена ​​в двухканальную волноводную структуру со средней шириной сердцевины 7 мкм. Затем SiO ₂ толщиной 450 нм был нанесен методом плазменного химического осаждения из паровой фазы (PECVD) для изоляции. Окно инжекции электронов шириной 2 мкм было нанесено на SiO ₂ . слой гребня, а электрический контакт обеспечивался слоем Ti / Au. Для лучшего отвода тепла был нанесен дополнительный слой Au толщиной 4 мкм. Перед фактическим сколом было выполнено массовое моделирование конструкции скрытой решетки второго порядка с помощью программного обеспечения для метода конечных элементов (COMSOL), аналогичного программному обеспечению в [5]. [16] После утонения до 150 мкм волновод был разрезан на устройства длиной 0,5 и 1 мм, что соответствует прочности связи 0,54 ~ 1,77 и 1,08 ~ 3,55 соответственно. Затем обе грани этих устройств были покрыты HR методом электронно-лучевого напыления. Покрытие HR состояло из Al ₂ О ₃ / Ti / Au / Al ₂ О ₃ (200/10/100/120). Устройства монтировались эпи-слоем на медных радиаторах с помощью индиевого припоя, а затем проводились к внешней контактной площадке.

Тестирование устройства проводилось на стадии термоэлектрического охладителя (ТЭО) с термистором, регулирующим и контролирующим температуру радиатора. Выходная мощность ККЛ измерялась откалиброванным детектором на термобатареях (Coherent, EMP1000), который устанавливался прямо перед устройством с металлической трубкой, собирающей лазерное излучение. Затем устройство было помещено на вращающуюся площадку, управляемую шаговым двигателем, с разрешением 0,01 ^o . для испытания распределения поля в дальней зоне и HgCdTe детектор комнатной температуры (Vigo, PVMI-10.6) был помещен перед лазером на расстоянии 30 см для обнаружения излучения. Измерение спектров проводилось с использованием инфракрасного спектрометра с преобразованием Фурье (FTIR) (Thermo Fisher Scientific, Nicolet 8700) с разрешением 0,25 см ^{- 1} в режиме быстрого сканирования.

Результаты и обсуждение

Результат моделирования в COMSOL показан на рис. 1b. Согласно расчету, коэффициент связи | κ | =35,5 ~ 10,75 см ^{- 1} получено для скрытой решетки с скважностью 0,35 ~ 0,45 и глубиной травления 180 нм. Сила сцепления г =| Κ | L , где L - длина резонатора ККЛ. Для получения эффективного поверхностного излучения всегда требуется сила связи 1–2. Для устройства с длиной полости 1 и 0,5 мм моделируемая сила связи находится в диапазоне от 3,55 ~ 1,07 до 1,78 ~ 0,54, когда рабочий цикл составляет 0,35 ~ 0,45. Следовательно, конструкция заглубленной решетки очень важна для устройства с короткой полостью.

Особый интерес представляют электрические характеристики. Световой ток-напряжение (L-I-V ) Кривая устройств с разной длиной резонатора представлена ​​на рис. 2. Лазеры работали в непрерывном режиме, а температура радиатора регулировалась терморегулятором (Thorlabs, ITC-QCL-4000). Как показано на рис. 2а, устройство с резонатором длиной 1 мм демонстрирует пороговый ток 65 мА при 25 ° C, что соответствует пороговой плотности тока 0,54 кА / см ^{- 2} . и рассеиваемая мощность 0,67 Вт. Максимальная оптическая мощность составляет 8,6 мВт при вводимой электрической мощности 1,66 Вт, а дифференциальный КПД составляет 0,11 Вт / А. При высокой температуре 65 ° C максимальная оптическая мощность все еще превышает 5 мВт. Для устройства с длиной полости 0,5 мм пороговый ток и рассеиваемая мощность уменьшаются до 39 мА и 0,4 Вт при 15 ° C, как показано на рис. 2b. Пороговая плотность тока составляет 0,65 кА / см ^{- 2} . . Максимальная оптическая мощность 2,8 мВт определяется, когда вводимая электрическая мощность составляет 0,74 Вт. При 25 ° C пороговый ток немного увеличивается до 41 мА, что соответствует потребляемой мощности 0,43 Вт. Насколько нам известно, это самая низкая пороговая потребляемая мощность ККЛ при той же температуре. Максимальная оптическая мощность этого устройства составляет 2,4 мВт с рассеиваемой мощностью 0,76 Вт, что очень хорошо для некоторых приложений с высокоинтегрированными датчиками. При 35 ° C максимальная оптическая мощность составляет около 1,9 мВт. Это устройство может работать при температуре до 105 ° C в режиме CW, но выходная мощность станет небольшой, и ее будет сложно точно определить. По сравнению с предыдущими работами в [9,10,11] максимальная оптическая мощность нашей конструкции не является выдающейся из-за низкой эффективности устройства при подключении к розетке. Это по своей сути ограничено качеством пластины эпитаксии. Кроме того, максимальная эффективность дюбеля для устройства с длиной полости 0,5 мм составляет 0,32% при комнатной температуре, что меньше, чем у устройства с длиной полости 1 мм, т. Е. 0,5%.

ВАХ 1 мм ( a ) и 0,5 мм ( b ) устройства

Характеристики спектров лазеров показаны на рис. 3. Оба устройства диаметром 1 и 0,5 мм могут работать в непрерывном режиме без скачкообразного изменения мод в широком диапазоне температур от 15 до 105 ° C. Это самая высокая рабочая температура среди всех QCL с низким энергопотреблением. Такая высокая рабочая температура в основном достигается за счет уменьшения потерь в зеркале, вызванных покрытием HR на гранях. Коэффициент температурного сдвига - 0,21 см ^{- 1} / К и - 0,19 см ^{- 1} / K соответственно. Существует небольшая разница между режимами спектров двух устройств в одном и том же диапазоне температур, что, вероятно, вызвано неоднородностью процесса литографии и травления решетки. Коэффициент подавления боковых мод (SMSR) устройства составляет около 25 дБ. Хорошая возможность линейной настройки, одномодовый режим и высокая рабочая температура этих устройств делают их очень полезными в некоторых реальных приложениях, таких как обнаружение следовых газов.

Спектры генерации a 0,5 и b Устройство с длиной полости 1 мм

Распределение дальнего поля для устройства толщиной 0,5 мм показано на рис. 4. В направлении ширины гребня - однодольчатая диаграмма с углом расхождения 22,5 ^o (FWHM), как показано на рис. 4a. На рис. 4b показана диаграмма направленности в дальней зоне в направлении длины резонатора. Картина в дальней зоне указывает на то, что предпочтение отдается антисимметричной моде, которая вызвана неоднородностями ручного скола и остаточных отражений от фасок [16]. Симметричный режим может быть получен за счет использования решетки распределенного брэгговского отражателя (DBR) на обеих сторонах области решетки DFB для устранения неконтролируемых отражений от сколотых граней [17].

Распределение дальнего поля устройства с длиной резонатора 0,5 мм. а , b Распределение дальнего поля по ширине гребня и длине полости соответственно

Выводы

Мы разработали DFB QCL, излучающий подложку, со сверхнизким пороговым значением рассеиваемой мощности 0,43 Вт при 25 ° C, работающий в непрерывном режиме, путем сокращения длины резонатора до 0,5 мм и нанесения покрытия HR на обе грани. Его максимальная оптическая мощность составляла 2,4 мВт, а соответствующая рассеиваемая мощность - 0,76 Вт. Одномодовое излучение без скачков мод было получено в широком диапазоне температур от 15 до 105 ° C путем определения скрытой решетки DFB второго порядка. Углы расхождения 22,5 ^o и 1,94 ^o в направлении ширины гребня и направлении длины полости, соответственно. Характеристики устройства с низким энергопотреблением могут сделать его перспективным источником света в некоторых портативных системах с батарейным питанием.

Сокращения

CW:

Непрерывная волна

DFB:

Распределенная обратная связь

FP:

Фабри-Перо

FTIR:

Инфракрасное преобразование Фурье

FWHM:

Полная ширина на половине максимальной

HR:

Высокая отражательная способность

MBE:

Молекулярно-лучевая эпитаксия

MOVPE:

Эпитаксия из паровой фазы металлоорганических соединений

PECVD:

Химическое осаждение из паровой фазы с применением плазмы

PHR:

Частично высокая отражательная способность

QCL:

Квантово-каскадный лазер

SEM:

Сканирующий электронный микроскоп

SMSR:

Коэффициент подавления боковой моды

TEC:

Термоэлектрический охладитель