Стабильная одномодовая работа квантового каскадного лазера с распределенной обратной связью за счет оптимизированных покрытий граней отражательной способности

Фон

Квантовые каскадные лазеры среднего инфракрасного диапазона (ККЛ) [1] являются одними из наиболее многообещающих источников света для многих коммерческих приложений. Эти практические приложения, такие как зондирование газа, связь в свободном пространстве и спектроскопия высокого разрешения [2, 3, 4, 5], потребуют QCL с высокой мощностью, улучшенной одномодовой надежностью и низкой стоимостью. В результате, поскольку первая распределенная обратная связь (DFB) -QCL была продемонстрирована в 1997 году [6], производительность этих устройств значительно улучшилась благодаря демонстрации работы в непрерывном режиме (CW) при комнатной температуре с высокой мощностью по всему каналу. средняя инфракрасная область [7,8,9,10]. Однако большинство DFB-QCL, основанных на структуре скрытой решетки, будет иметь проблему случайных сколотых граней, которые определяют частотный режим генерации. Из-за одинакового количества потерь в двух краевых режимах стабильная одномодовая работа не может быть гарантирована [11]. Скачкообразная перестройка режима всегда происходит, особенно в условиях высокой температуры или большого тока инжекции, что отрицательно сказывается на приложениях в этих одномодовых устройствах.

Для обеспечения стабильной одномодовой работы в период решетки был введен четвертьволновой фазовый сдвиг (λ / 4 PS), чтобы лазер мог работать в дефектном режиме; таким образом, можно избежать конкуренции между двумя краевыми модами. Но для изготовления решетки λ / 4 PS необходимо использовать электронно-лучевую литографию, что требует больших затрат времени и средств [12]. DFB-лазер с усиленной связью - хороший выбор для достижения стабильной одномодовой работы обычного полупроводникового лазера [13]. Однако для ККЛ нереально создать РОС-лазеры с связью по усилению из-за больших потерь, вызванных травлением активной области. Другой хитрый метод - использовать механизм связи потерь в резонаторе для увеличения разностных потерь между двумя модами DFB. Считается, что подходящее фацетное покрытие с коэффициентом отражения может обеспечить стабильную одномодовую работу даже при высоких температурах и больших токах. Хотя есть некоторые исследования, посвященные фацетному покрытию, они всегда сосредоточены на формировании оптимальной эквивалентной длины полости L _opt для сохранения эффективности розетки (WPE) для лазеров, а не для одномодовой надежности [14, 15]. Кроме того, покрытие с оптимизированной отражательной способностью должно стать многообещающим способом решить проблему конкуренции между двумя режимами DFB и представлять интерес для систематического исследования.

В этой статье стабильная одномодовая работа DFB-QCL на λ ~ 4,76 мкм приходится на просветление (AR) / высокое отражение (HR). Противоотражающее покрытие состоит из двухслойного диэлектрика из Al ₂ . О ₃ (380 нм) и Ge (33 нм). Эти устройства имеют очень низкую пороговую плотность тока 0,65 кА / см ² . при 20 ° С. Одномодовое излучение с коэффициентом подавления боковых мод (SMSR) выше 26 дБ достигается до температуры 90 ° C в режиме CW без скачкообразной перестройки режима. Считается, что антибликовое покрытие на передней грани очень ценно для подавления случайной фазы грани полости.

Методы

Теория и моделирование

Суть моделирования эффекта просветляющего покрытия в резонаторе конечного РОС - это расчет потерь мод для двух краевых мод. Метод матрицы переноса был бы подходящим способом анализа всей лазерной структуры [16, 17]. Мы рассматриваем применение этого метода к устройствам, которые имеют продольный профиль показателя преломления, аналогичный профилю, показанному на рис. 1. Этот схематический рисунок иллюстрирует эффект решетки с небольшими различными возмущениями эффективного показателя преломления ( n _{eff, 1} , n _{eff, 2} ) и пленки с покрытием ( n ₃ , n ₄ ) в управляемом режиме. Комплексные показатели преломления основных материалов, используемых в расчетах, перечислены ниже:InP (3,088 + i * 2e-4), InGaAs (3,4 + i * 2,9e-5), активная область (3,298 + i * 4e-5), высоколегированный InP (2,81 + i * 1,4e − 2), SiO ₂ (1,3603 + i * 6,3e-4), Au (1,341 + i * 32,582), Al ₂ О ₃ (1,5348 + i * 3,2967e − 3) и Ge (4,0165 + i * 4e − 2). Затем различные эффективные индексы n _{eff, 1} =3,1599 + i * 5,17e − 5 и n _{eff, 2} =3,1662 + i * 5,6756e − 5 были рассчитаны с помощью COMSOL с помощью функции уравнения в частных производных (PDE). Предполагается, что лазер работает в одном поперечном режиме, так что характеристики распространения света в каждой точке вдоль лазерного резонатора описываются одной скалярной комплексной величиной, k , который является волновым вектором среды. Также считается, что лазер линейно поляризован, а связанное с ним электрическое поле имеет синусоидальную временную зависимость e ^{я ω t} . Следуя этим предположениям, данным выше, фактор одномерной плоской электромагнитной волны E _z , описывающая часть специальной вариации волновой функции, удовлетворяет уравнению Гельмгольца

Схема, иллюстрирующая модель конечного резонатора РОС с просветляющим покрытием на продольном оптическом профиле моды

К (z) определяется как

где ω и c - соответственно угловая частота и скорость света и n (z) - комплексный показатель преломления в каждой точке лазерного резонатора. Волновой вектор k которую необходимо решить, можно разделить на две части: k _r и k _я . Настоящая часть k _r определяет длину волны света в резонаторе лазера, а мнимая часть k _я возникает из-за потерь мод в конечном резонаторе, которые приводят к затуханию. Из рис. 1 видно, что лазер можно рассматривать как многосекционный прибор с 2 N + 2 раздела, где N период решетки. В каждом из этих участков электрическое поле E _n (z) представляет собой линейную комбинацию двух встречных экспоненциально плоских волн, одна из которых убывает с комплексной амплитудой A _n а другой увеличивается на B _n . Уравнение описывается следующим образом:

Всего 2 N + 3 интерфейса. На каждой из этих границ раздела электрическое поле и его производная по направлению распространения должны быть одинаковыми с обеих сторон границы раздела. Уравнение получается следующим образом:

Матрица передачи M ( г _n ) дается

Учитывая, что лазер с электрической накачкой является автоколебательным устройством, нет приходящих волн извне. Это приводит к граничному условию B ₀ = А _{2 N + 3} =0, и уравнение превращается в

Каждое значение волнового вектора k может быть получен с помощью Matlab через формулу. (6). Мнимые части k _я соответствующие потерям мод резонатора помогут проанализировать эффекты просветляющего покрытия.

На рис. 2а показаны результаты расчетов, основанные на моделировании матрицы переноса. Как показывают две красные кривые, потери высокочастотной моды изменяются очень медленно с уменьшением отражательной способности, тогда как низкочастотная мода резко возрастает. На вставке показан профиль мод, рассчитанный для низкочастотной и высокочастотной мод для одного периода решетки. Как показано на графике, низкочастотная мода имеет более высокую величину электрического поля в пиках решетки, которые являются частью решетки с более высоким показателем преломления, а также высокочастотная мода более сконцентрирована в части с более низким показателем преломления. Для модели с бесконечным резонатором без отражательной способности граней высокочастотная мода всегда имеет более низкие модовые потери, чем низкочастотная мода. Если пренебречь влиянием торцевых зеркал, то всегда будет генерироваться высокочастотная мода с меньшими волноводными потерями. Однако наличие торцевых зеркал дает отражения, которые конструктивно или деструктивно мешают модам РОС в лазерном резонаторе. Эта интерференция влияет на конечные потери каждой моды в решетке и резонаторе и может определять, какая мода генерируется. Отметим, что влияние зеркал наибольшее, когда положение обоих зеркал совпадает с пиком амплитуды электрического поля одной моды РОС, что также происходит, когда зеркала находятся в узле для другой моды РОС. Здесь зеркала для непокрытой грани совпадают с пиком низкочастотной моды, а затем отражения от торцевых зеркал максимально конструктивно интерферируют с модой, присутствующей в резонаторе лазера. Это приводит к уменьшению общих потерь мод из-за конструктивного вклада зеркала. По мере уменьшения отражательной способности и влияния дополнительного фазового сдвига за счет использования двухслойного просветляющего покрытия потери низкочастотной моды постепенно увеличиваются с уменьшением отражательной способности из-за ослабления интерференционного эффекта и увеличения потерь в зеркале. Между тем, потеря высокочастотного режима немного изменилась из-за усиленного интерференционного эффекта. Это приводит к тому, что потеря моды Δ действует так же, как экспоненциальная функция, особенно когда коэффициент отражения передней грани составляет <0,15. Согласно моделированию, существует только одна точка минимума во всем спектре, когда коэффициент отражения передней грани <0,11, что означает, что скачок мод не может происходить теоретически, потому что потери моды на другом краю полосы слишком велики для генерации.

а Две красные кривые - это потери высокочастотной и низкочастотной моды соответственно. Черная кривая - это потери дифференциальной моды между двумя краевыми модами, обозначенными как Δ. На вставке показан профиль мод, рассчитанный для низкочастотной и высокочастотной мод для одного периода решетки. б Расчетный спектр модовых потерь на основе моделирования матрицы переноса с различными просветляющими покрытиями

На рисунке 2b показаны три типичных спектра потерь мод во время моделирования, где высокочастотные и низкочастотные моды составляют 4,762 и 4,779 мкм соответственно. Первый - это DFB-QCL без просветляющего покрытия. Мы ясно видим, что полоса заграждения возникает из-за решеточной обратной связи, и две краевые моды почти одинаковы. Второй - это специальное просветляющее покрытие с 200 нм Al ₂ . О ₃ и 5 нм Ge с коэффициентом отражения 0,22. Разница между двумя краевыми модами становится очевидной. Последний показывает, что с покрытием с более низким коэффициентом отражения потери в Δ-моде настолько велики, что низкочастотная мода погружается в зону потери полосы задерживания. Несмотря на то, что чем ниже коэффициент отражения, тем больше потери в Δ-моде в теории, мы также должны учитывать, что чрезвычайно низкий коэффициент отражения приводит к огромным потерям в зеркалах в устройствах, которые могут привести к резкому падению WPE. Выбор толщины пленки зависит от эксперимента.

Изготовление устройства

Пластина ККЛ была выращена на n-легированном (Si, 3 × 10 ¹⁷ см ⁻³ ) Подложка InP методом молекулярно-лучевой эпитаксии с твердым источником (MBE) на основе конструкции двухфононного резонанса. Активный сердечник включает 40 ступеней с компенсацией деформации В _0,669 Ga _0,331 Как / В _0,362 Al _0,638 Так же как квантовые ямы и барьеры, аналогичные работе [5]. [18]. Последовательность слоев была следующей:нижний слой оболочки InP толщиной 2 мкм (Si, 2,5 × 10 ¹⁶ см ⁻³ ), Толщина 0,3 мкм соответствует In _0,47 Ga _0,53 Как слой (Si, 4 × 10 ¹⁶ см ⁻³ ), 40 активных / инжекторных каскадов, толщина 0,3 мкм In _0,47 Ga _0,53 Как слой (Si, 4 × 10 ¹⁶ см ⁻³ ), Верхний слой оболочки InP толщиной 3 мкм (Si, 2,5 × 10 ¹⁶ см ⁻³ ) и покрывающий слой из высоколегированного InP толщиной 0,7 мкм (Si, 5 × 10 ¹⁸ см ⁻³ ). Средний уровень легирования активной области был эмпирически скорректирован до 2,4 × 10 ¹⁶ см ⁻³ . Для изготовления скрытой решетки верхняя облицовка была удалена до верхнего слоя InGaAs. Решетка РОС первого порядка с периодом Λ =0,755 мкм (скважность σ =20%) был определен на верхнем слое InGaAs толщиной 300 нм с использованием голографической литографии и впоследствии протравлен на глубину около 90 нм путем влажного химического травления. Затем низколегированный (Si, 2,5 × 10 ¹⁶ толщиной 3 мкм см ⁻³ ) Слой InP, за которым следует постепенно легируемый слой толщиной 0,2 мкм (изменяется от 1 × 10 ¹⁷ см ⁻³ до 3 × 10 ¹⁷ см ⁻³ ) Слой InP и слой InP 0,5 мкм (5 × 10 ¹⁸ см ⁻³ ) контактный слой был нанесен последовательно как верхняя оболочка методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений (MOVPE).

После создания решетчатого рисунка и повторного роста эпи-пластина была вытравлена ​​в гребни шириной 10 мкм, а затем волноводы были повторно введены в систему MOVPE и погружены в полуизолирующий InP (Fe). SiO ₂ толщиной 450 нм Слой был нанесен путем плазменного химического осаждения из паровой фазы (PECVD) для изоляции вокруг гребня, а электрический контакт обеспечивался слоем Ti / Au. Дополнительный золотой слой толщиной 5 мкм впоследствии был нанесен гальваническим способом для дальнейшего улучшения теплоотвода. Волноводы раскалывались на бруски длиной 2 мм, и испытания проводились на устройствах с оптимизированным отражающим покрытием граней. Обе задние грани покрытия HR, состоящие из Al ₂ О ₃ / Ti / Au / Ti / Al ₂ О ₃ (400/5/100/10/200 нм) и переднее фасетное просветляющее покрытие, состоящее из Al ₂ О ₃ / Ge (380/33 нм) осаждают электронно-лучевым испарением. Расчетная отражательная способность передней грани составляет 3,4% для длины волны 4,76 мкм, а детальная связь между флуктуацией толщины покрытия и отражательной способностью обсуждалась в нашей ранее опубликованной статье [19]. Лазеры монтировались эпитаксиальной стороной вниз на SiC-теплоотводы с индиевым припоем, а затем проводились к внешней контактной площадке. Для спектральных и электрических характеристик лазеры устанавливаются на элементе Пельтье, а температура контролируется на радиаторе с помощью термистора.

Результаты и обсуждение

На рис. 3 показаны подпороговые спектры излучения, динамически изменяющиеся от электролюминесценции к генерации с увеличением тока, который измеряется с помощью ИК-Фурье-спектрометра Bruker Vertex 70 и HgCdTe-детектора с азотным охлаждением. Спектр лазера чуть выше порога указывает, что устройство работает в основной моде, и мы можем четко получить полосу задерживания основной моды, когда ток составляет 285 мА. По ширине полосы задерживания Δ ν =3,076 см ⁻¹ и эффективный индекс n _eff =1 / (2νΛ) =3,153, вычисляем коэффициент связи κ =Δ ν · π · нет _eff =30,4 см ⁻¹ , в результате для нашей полости с HR-покрытием длиной 2 мм в соединительном продукте κL 12,1, что хорошо согласуется с изготовлением нашего устройства. Продукт κL намного больше, чем предыдущее теоретическое исследование κL ≈ 1 [20] указывает на то, что получена схема с избыточной связью, которая выгодна для обеспечения одиночного режима во всем текущем и исследуемом диапазоне температур.

Допороговый спектр постоянного тока устройства, измеренный при 30 ° C

На рис. 4а показана типичная мощность-ток-напряжение в непрерывном режиме ( P - Я - V ) кривая DFB-лазера при различных температурах радиатора от 20 до 90 ° C. Выходная мощность достигает 200 мВт для устройства длиной 2 мм с низкой пороговой плотностью тока 0,65 кА / см ² . при 20 ° С. Пороговое напряжение ( В _th ) 13,2–14,2 В было измерено в диапазоне температур 20–90 ° C. Стоит отметить, что скачок режима существует только при более низкой температуре радиатора ниже 60 ° C, что можно легко вывести из P - Я изгиб. Высокая температура радиатора способствовала бы более сильному накоплению тепла в сердцевине лазера, так что тепловой эффект ограничивал бы генерацию другой моды, и скачки мод не происходили. На рисунке 4b показан P - Я - V На кривой DFB-лазера видно, что на его переднюю грань нанесено просветляющее покрытие, и мы выбрали коэффициент отражения просветляющего покрытия 3,4%. Каждый гладкий P - Я Кривые показывают, что скачкообразное изменение режима не существует на протяжении всей измеренной нами температуры. На рис. 4в, г показаны спектры генерации при различных токах от 150 до 250 мА с шагом 25 мА. Из рис. 4d очевидно, что мы достигаем стабильной одиночной моды при различных токах с оптимизированным покрытием граней AR, а не скачком мод на рис. 4c. Частота всегда линейно зависит от тока инжекции, а коэффициент настройки тока Δ ν / Δ I =- 0,024 см ⁻¹ мА ^-1 доказывает, что просветляющее покрытие - это простой и эффективный метод решения проблемы переключения режимов в DFB-QCL.

а , b Выходная мощность в зависимости от тока DFB-лазера, работающего в непрерывном режиме, при различных температурах радиатора от 20 до 90 ° C вместе с V - Я кривые. c , d Спектры непрерывной генерации при различных токах от 150 до 250 мА с шагом 25 мА при 20 ° C

На рис. 5 показаны спектры излучения РОС-лазера покрытия при различных температурах радиатора от 20 до 90 ° C. Измерения проводились с использованием ИК-Фурье-спектрометра NICOLET 8700 с 0,25 см ^-1 разрешение в режиме быстрого сканирования. Во всем исследованном температурном диапазоне наблюдается излучение одиночной продольной моды со степенью подавления боковых мод (SMSR) 26 дБ при высокой температуре 90 ° C. Как показано на вставке к рис. 5, наблюдалось смещение пикового спектра излучения от 2100,4 см ⁻¹ . при температуре от 20 ° C до 2088,6 см ⁻¹ при 90 ° C, что соответствует температурному коэффициенту настройки Δ ν / Δ Т =- 0,168 см ⁻¹ К ^-1 . Хорошая линейная настройка показала, что скачка режимов во время изменения температуры радиатора не происходит. Кроме того, все упомянутые устройства отображают доминирующее одиночное боковое поле в дальней зоне при работе CW на основной моде благодаря точному контролю ширины гребня.

Одномодовые спектры излучения DFB-лазера при пороговом токе возбуждения 1.1 для различных температур радиатора 20–90 ° C. На вставке показаны линейно приближенные характеристики перестройки частоты генерации в зависимости от температуры

CW WPE был рассчитан и нанесен на график как функция входной потребляемой электроэнергии на рис. 6. При 20 ° C максимальный WPE 4,7% был получен около 240 мА с выходной мощностью 170 мВт. Максимальный WPE был по-прежнему 2,9 и 0,8% при 50 и 90 ° C соответственно. На сегодняшний день эти значения все еще были очень высокими для низкопороговых DFB-QCL из-за нашего высокого качества материала и оптимизированного фацетного покрытия с коэффициентом отражения. Считается, что WPE можно дополнительно улучшить за счет оптимального выбора длины резонатора лазера с учетом эффекта покрытия.

Эффективность настенной розетки в зависимости от рассеиваемой электрической мощности для DFB-QCL длиной 2 мм с просветляющим покрытием

Выводы

Мы продемонстрировали работу одномодовых DFB-QCL в непрерывном режиме при комнатной температуре при λ ~ 4,76 мкм. Нанесением просветляющего покрытия, состоящего из двухслойного диэлектрика Al ₂ О ₃ и Ge на передней грани, стабильный одиночный режим без скачков мод при всех токах и температурных условиях был успешно реализован. При 20 ° C наблюдалась выходная мощность в непрерывном режиме до 170 мВт с очень низкой пороговой плотностью тока 0,65 кА / см ² . . Такие устройства представляют собой важный шаг на пути к использованию стабильной одномодовой работы DFB-QCL в среднем инфракрасном спектральном диапазоне для практических приложений.

Сокращения

AR:

Антиотражение

BH:

Скрытая гетероструктура

CW:

Непрерывная волна

DFB:

Распределенная обратная связь

HR:

Высокое отражение

MBE:

Молекулярно-лучевая эпитаксия

MOVPE:

Эпитаксия из паровой фазы металлоорганических соединений

PDE:

Уравнение в частных производных

PECVD:

Химическое осаждение из паровой фазы с применением плазмы

P - Я - V :

Мощность-ток-напряжение

QCL:

Квантово-каскадный лазер

SMSR:

Коэффициент подавления боковой моды

V _th :

Пороговое напряжение

WPE:

Эффективность розетки

λ / 4 PS:

Сдвиг фазы на четверть волны