Демонстрация мощного и стабильного одномодового излучения в квантовом каскадном лазере с использованием решетки со скрытыми выборками

Введение

Квантовые каскадные лазеры (ККЛ) оказались одними из самых многообещающих источников света среднего инфракрасного диапазона и привлекли большое внимание для приложений дистанционного зондирования, спектроскопии высокого разрешения и мониторинга промышленных процессов после своей первой демонстрации благодаря своим основным характеристикам. такие как большой диапазон покрытия длины волны, компактный размер и высокая выходная мощность [1,2,3,4]. Что касается этих приложений, обычно требуется одномодовое излучение и высокая выходная мощность, чего можно достичь с помощью QCL с распределенной обратной связью (DFB). Подход со скрытой решеткой получил широкое распространение из-за меньших потерь в волноводе, более низкой пороговой плотности тока и более высоких одномодовых выходов по сравнению с поверхностной решеткой [5, 6]. К настоящему времени был сделан ряд значительных прорывов, основанных на подходе со скрытой решеткой, в улучшении характеристик DFB QCL с одномодовой стабильностью и выходной мощностью [7, 8], но механизм обратной связи со скрытой решеткой препятствует выходная мощность от дальнейшего повышения. Типичное значение выходной мощности непрерывной волны (CW) для ККЛ со скрытой однородной решеткой DFB, излучающих около 4,6–5 мкм, составляет менее 300 мВт при комнатной температуре [5, 9]. Теоретически коэффициент связи скрытой решетки можно улучшить за счет оптимизации глубины решетки и рабочего цикла. Однако уровни характеристик распределенной обратной связи очень чувствительны к профилю травления решетки в полупроводниковом слое вблизи активной области. Любое незначительное изменение глубины травления и рабочего цикла сильно повлияет на коэффициент связи решетки [10, 11]. Кроме того, также трудно улучшить соединение решеток путем точного управления глубиной решетки и рабочим циклом на основе недорогой технологии голографической литографии и влажного химического травления. Как правило, обычные DFB QCL колеблются на двух частотах, слегка смещенных от частоты Брэгга, которые могут генерироваться в зависимости от оптических потерь, на которые влияет случайная фаза фасеток [12,13,14].

В данной работе мы предлагаем использовать скрытую дискретизированную решетку с малой скважностью дискретизации для оптимизации коэффициента связи и улучшения распределения оптического поля. Выдающимся преимуществом этого метода является возможность увеличения длины резонатора устройства для получения достаточного оптического усиления при сохранении желаемой прочности связи решетки. Чтобы улучшить одномодовый выход и максимальную производительность, положение скола двух торцевых граней точно контролируется, чтобы избежать эффекта случайной фазы торцевой грани. С одной стороны, этот подход сохраняет преимущества малых потерь в волноводе при низкой пороговой плотности тока и совместим с обработкой скрытых гетероструктур. Кроме того, дифракционная решетка изготавливается только путем обычного голографического экспонирования в сочетании с оптической фотолитографией, что приводит к повышенной гибкости, воспроизводимости и рентабельности. В результате одномодовые DFB QCL с низким порогом и высокой выходной мощностью, излучающие на λ Одновременно достигаются ∼ 4.87 мкм в структуре скрытой дискретной решетки. Пороговая плотность тока этих DFB-QCL составляет всего 1,05 кА / см ² . а одиночная грань обеспечивала выходную мощность в непрерывном режиме 948 мВт для устройства с длиной резонатора 6 мм при 20 ° C.

Методы

Схема однородной решетки РОС ККЛ показана на рис. 1а; метки I, II, III и IV представляют четыре возможных типа положения сколов торцевых граней. Как мы все знаем, трудно точно контролировать положение скола для однородной решетки в нанометровом масштабе. В результате режим излучения отличается от устройства к устройству, поскольку положение скола фасетки является случайным. Здесь мы моделируем и рассчитываем разность потерь двух боковых мод и спектры модовых потерь возможных четырех типов положений скола на концах I, II, III и IV на основе метода матрицы переноса в MATLAB. Абсолютное значение разницы потерь для двух боковых мод четырех видов положений сколов I, II, III и IV показано на рис. 1b; абсцисса представлена ​​как относительное положение I, II, III и IV (если предположить, что другая грань начинается только с пика решетки и соответствует нулевой фазе, тогда соответствующие фазы I, II, III и IV равны 0, π / 2, π и 3π / 2). На рис. 1c, d, e и f подробно показаны спектры модовых потерь для четырех типов положения сколотых торцевых граней. Как видно, режим генерации и разница потерь различаются от устройств к устройствам, на которые влияет фасеточная случайная фаза. На рис. 2а показано соответствующее нормированное распределение оптического поля для возможных четырех видов положений сколотых торцевых граней I, II, III и IV, смоделированных одним и тем же методом матрицы переноса. На рис. 2b и c показано усиление распределения оптического поля около двух торцевых поверхностей. Как мы видели, интенсивность обеих торцевых граней не полностью симметрична, что вызвано асимметричным положением обеих торцевых граней. Здесь мы показываем ситуацию с силой связи κ × L =17, что является избыточным. Пики интенсивности света в центре устройства быстро затухают по направлению к двум концам, что может привести к серьезному прожиганию пространственного отверстия, и, в свою очередь, поддержание стабильной одномодовой работы может стать трудным [15].

а Схема однородной решетчатой ​​структуры; Обозначения I, II, III и IV представляют четыре возможных типа положений расщепленных торцевых граней. б Абсолютные значения разности потерь мод для различных положений сколотых торцевых граней I, II, III и IV, а абсцисса представлена ​​как соответствующая фаза расщепленных положений граней I, II, III и IV. c - е Спектры модовых потерь возможных четырех типов положений скола торца I, II, III и IV соответственно

а Соответствующее распределение оптического поля однородной решетчатой ​​структуры для четырех типов положений сколотых торцевых граней I, II, III и IV. б , c Усиление распределения оптического поля около двух торцевых граней

Здесь мы измеряем структуру решетки дискретизации, чтобы улучшить распределение оптической интенсивности на основе периода дискретизации P =15 мкм и длиной блока u =5 мкм, что соответствует рабочему циклу выборки σ = u / P =1/3, что показано на рис. 3а. Вертикальная пунктирная линия на фиг. 3a представляет положение скола фасетки, которое отклоняется от области блока, чтобы избежать введения случайной фазы торцевой фасетки. Соответствующий эффективный коэффициент связи κ _eff может быть просто дано произведением коэффициента связи κ однородной решетки на рабочий цикл σ решетки дискретизации, то есть κ _eff = κ × σ [16]. Таким образом, коэффициент связи дискретизирующей решетки можно регулировать произвольно с помощью рабочего цикла дискретизированной решетки, что способствует оптимизации силы связи дискретизирующей решетки. В результате выходная мощность могла быть улучшена. На рис. 3b показан рассчитанный спектр пропускания дифракционной решетки на основе метода матрицы переноса и измеренный спектр электролюминесценции (ЭЛ) в импульсном режиме. λ _-1 и λ ₊₁ - дополнительные сверхмоды, вносимые дискретизированной решеткой. Соседнее спектральное расстояние супермод может быть вычислено как Δ λ = λ _B ² / (2 п _eff P ) где n _eff - эффективный индекс волновода, а λ _B - длина волны Брэгга основной однородной решетки [17]. Хотя наличие суперрежимов может влиять на стабильность одномодового режима, суперрежимы могут быть спроектированы далеко от центра кривой усиления, выбрав небольшой период дискретизации P по формуле спектрального расстояния супермод. В нашем исследовании основной период брэгговской решетки Λ , период выборки P , эффективный индекс волновода n _eff , и рабочий цикл σ равны 0,758 мкм, 15 мкм, 3,21 и 1/3 соответственно, поэтому соседнее спектральное расстояние супермод составляет около 246 нм. Как показано на рис. 3b, длина волны Брэгга (0-й порядок) рассчитана вокруг пика кривой усиления, в то время как длины волн + 1-го и - 1-го порядка находятся на расстоянии 246 нм от центра кривой усиления отдельно. Наконец, в нашем исследовании может быть достигнута устойчивая одномодовая генерация на моде 0-го порядка. На рис. 4а показано смоделированное распределение оптического поля дискретной решетки при различных токах инжекции. Как можно видеть, произошло резкое улучшение распределения интенсивности оптического поля для структуры дискретной решетки на двух торцах, что соответствует значительному увеличению выходной мощности. На рис. 4b показано усиление распределения оптического поля возле одной из торцевых граней, а на рис. 4с показано подробное изменение интенсивности оптического поля на торцевой грани с токами инжекции. Как показано на рис. 4b, профиль распределения оптического поля не плавный, а флуктуирующий. Флуктуация вызвана «отражением границы раздела» между блочной областью и областью без решетки в каждый период дискретизации, вызывая «локализованную» концентрацию плотности энергии вдоль полости. Кроме того, как показано на рис. 4c, изменение распределения относительной интенсивности на торцевой грани нелинейно с токами инжекции, что может вызвать нелинейность кривой мощности – тока устройств.

а На схеме структуры дискретной решетки вертикальная пунктирная линия представляет положение скола грани, P - период выборки, а u - длина области решетки за один период дискретизации. б Синяя линия - это рассчитанный спектр пропускания разработанной выборочной решетки, а красная линия - измеренный спектр электролюминесценции изготовленной пластины

а Моделирование распределения оптического поля стробирующей решетки при различных токах инжекции. б Усиление распределения оптического поля у одного из торцов. c Детальное изменение относительной напряженности оптического поля на торце с токами инжекции

Структура ККЛ была выращена на n-InP (Si, 2 × 10 ¹⁷ см ⁻³ ) подложки методом молекулярно-лучевой эпитаксии с твердым источником (МБЭ). Активный сердечник состоял из 40 ступеней деформационно-компенсированной В _0,67 Ga _0,33 Как / В _0,37 Al _0,63 В качестве квантовых ям и барьеров, обеспечивающих канал электронного перехода для генерации фотона, который был окружен верхним и нижним ограничивающими слоями InGaAs. Решетка была определена на верхнем ограничивающем слое InGaAs с использованием техники двухлучевой голографической литографии в сочетании с традиционной оптической литографией. Затем был выращен верхний волноводный слой методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений (MOVPE). После этого пластина была преобразована в двухканальный гребенчатый волноводный лазер со средней шириной сердцевины около 10 мкм, заполненный полуизолирующим InP:Fe для эффективного отвода тепла. SiO ₂ толщиной 450 нм Затем слой был нанесен путем плазменного химического осаждения из паровой фазы (PECVD) для изоляции, а электрический контакт обеспечивался слоем Ti / Au, нанесенным электронно-лучевым испарением. На дополнительный слой золота толщиной 5 мкм наносили гальваническое покрытие для улучшения теплоотвода. После утонения примерно до 140 мкм на сторону подложки был нанесен металлический контактный слой Ge / Au / Ni / Au. Затем волноводы были расколоты на стержни длиной 4 и 6 мм, и покрытие с высоким коэффициентом отражения (HR), состоящее из Al ₂ О ₃ / Ti / Au / Al ₂ О ₃ (200/10/100/120 нм) был нанесен на одну из граней электронно-лучевым испарением, оставив грань без покрытия для измерения мощности излучения кромки. Наконец, лазеры устанавливались эпитаксиальной стороной вниз на алмазный радиатор с индиевым припоем, которые впоследствии были припаяны к медным радиаторам для эффективного отвода тепла.

Результаты и обсуждение

Спектры приборов проверялись инфракрасным спектрометром с преобразованием Фурье с разрешением 0,25 см ⁻¹ . . Затем лазеры были установлены на держателе, содержащем термистор в сочетании с термоэлектрическим охладителем, чтобы контролировать и регулировать температуру вспомогательной опоры. Излучаемая оптическая мощность измерялась откалиброванным детектором на термобатареях, помещенным перед лазерной гранью без какой-либо коррекции.

На рис. 5 и 6 представлены спектры излучения и вольт-амперные характеристики (ВАХ) приборов с дискретными решетчатыми ККЛ РОС с длиной резонатора 4 мм и 6 мм соответственно. Как уже было замечено, спектры линейно меняются в зависимости от тока или температуры инжекции во время всех процессов испытаний. В непрерывном режиме максимальная оптическая мощность устройств составляет 649 мВт и 948 мВт при 20 ° C для резонатора длиной 4 мм и 6 мм при 1,2 A и 1,4 A соответственно. Кроме того, низкая пороговая плотность постоянного тока устройств 1,59 кА / см ² и 1,05 кА / см ² при 20 ° C достигается длина резонатора 4 мм и 6 мм, что полностью отражает преимущество малых потерь в волноводе и низкой пороговой плотности тока скрытой решетки. Как мы наблюдали из спектров генерации, режим генерации линейен с изменениями температуры или тока инжекции, что указывает на то, что скачка мод не происходит в процессе изменения тока инжекции или температуры. Однако кривые мощность – ток не являются линейными, что вызвано флуктуациями распределения оптического поля в структуре выборочной решетки и неоднородным изменением напряженности оптического поля на торцах с токами инжекции, проанализированными ранее.

а Одномодовые спектры непрерывного излучения дискретной решетки DFB QCL с длиной резонатора 4 мм при токах около 1,1 × I _th для различных температур радиатора 15–70 ° C. На вставке показаны спектры непрерывного излучения при различных токах инжекции от 0,63 до 1,08 А с шагом 0,05 А при 20 ° C. б Непрерывные вольт-амперные характеристики (ВАХ) дискретных решетчатых ККЛ РОС с длиной резонатора 4 мм при различных температурах

а Одномодовые спектры непрерывного излучения дискретной решетки DFB QCL с длиной резонатора 6 мм при токах около 1,1 × I _th для различных температур радиатора 15–70 ° C. На вставке показаны спектры непрерывного излучения при различных токах инжекции от 0,63 до 1,38 А с шагом 0,05 А при 20 ° C. б Непрерывные вольт-амперные характеристики (ВАХ) дискретных решетчатых ККЛ РОС с длиной резонатора 6 мм при различных температурах.

На рисунке 7 показаны профили устройства в дальней зоне при импульсном режиме около 1,25 × I . _th при комнатной температуре. На рис. 7a показан профиль в дальней зоне вдоль направления ширины гребня, а на рис. 7b показан профиль в дальней зоне вдоль направления эпитаксиального роста. Экспериментальные исследования продемонстрировали, что фундаментальная поперечная мода может легче превратиться в режим генерации в структуре скрытой решетки, чем в структуре поверхностной металлической решетки, поскольку потери основной поперечной моды возрастают из-за связи между основной поперечной модой и верхним металлическим контактом на поверхности. металлическая решетчатая конструкция [6]. В соответствии с этим в нашем эксперименте был получен профиль в дальней зоне основной поперечной моды с полной шириной на полувысоте (FWHM) 28,2 ° в направлении ширины гребня. Таким образом, проявляется еще одно очевидное преимущество структуры скрытой решетки:мода генерации, как правило, является основной поперечной модой с однолучевым профилем в дальней зоне, что свидетельствует в пользу коллимации. Кроме того, большая ширина на полувысоте 50,1 ° в направлении эпитаксиального роста достигается из-за небольшой апертуры излучения, которая имеет тот же порядок, что и длина волны.

а Профиль дальней зоны в направлении ширины гребня. б Профиль дальней зоны вдоль направления эпитаксиального роста

Выводы

В заключение, были получены DFB QCL с низкопороговыми и стабильными одномодовыми эмиссионными дискретизирующими дифракционными решетками с высокой выходной мощностью. Максимальная выходная мощность в непрерывном режиме и пороговая плотность тока составляют 0,948 Вт (0,649 Вт) и 1,05 кА / см ² . (1,59 кА / см ² ) для полости диаметром 6 мм (4 мм). Значительное улучшение распределения оптического поля достигается за счет введения небольшого рабочего цикла выборки для уменьшения силы связи. Наблюдается также однолепестковый профиль в дальней зоне. Таким образом, для квантово-каскадных лазеров со скрытой распределенной обратной связью включение дискретизированной решетки является простым и эффективным методом создания устройств с высокой выходной мощностью, низким порогом, стабильным одномодовым излучением и высокими одномодовыми выходами.

Сокращения

CW:

Непрерывная волна

DFB:

Распределенная обратная связь

EL:

Электролюминесценция

FWHM:

Полная ширина на половине максимальной

HR:

Высокая отражательная способность

L – I – V:

Свет – ток – напряжение

MBE:

Молекулярно-лучевая эпитаксия

MOVPE:

Эпитаксия из паровой фазы металлоорганических соединений

PECVD:

Химическое осаждение из паровой фазы с применением плазмы

QCL:

Квантово-каскадный лазер