Ультра-низкопотребляющий субстратно-излучающий DFB квантовый каскадный лазер: 0,43 Вт порог при 25 °C

Аннотация

В настоящей работе разработан ультра-низкопотребляющий субстратно-излучающий распределенной обратной связью (DFB) квантовый каскадный лазер (QCL). Непрерывная волна (CW) пороговая рассеиваемая мощность снижена до 0,43 Вт при 25 °C за счет сокращения длины резонатора до 0,5 мм и нанесения высокорефлективного (HR) покрытия на обе грани. Насколько нам известно, это рекордная пороговая рассеиваемая мощность QCL в данных условиях. Однорежимное излучение достигнуто за счет закопанной второй порядка решетки. Режим-хоп свободное излучение наблюдается в широком температурном диапазоне от 15 до 105 °C в CW режиме. Углы расходимости составляют 22,5° и 1,94° в направлении ширины хребта и длины резонатора соответственно. Максимальная оптическая мощность в CW режиме была 2,4 мВт при 25 °C, что достаточно для спектроскопических приложений.

Введение

В последние годы квантовые каскадные лазеры (QCL) прошли быструю разработку и стали наиболее перспективным источником в среднеинфракрасной частотной области [1,2,3]. Благодаря высокой мощности, однорежимной работе и компактному размеру DFB QCL широко используются во многих приложениях, таких как трассировка газов, свободно-пространственная коммуникация и анализ веществ [4,5,6]. Однако оставшийся недостаток QCL — их высокое электрическое рассеивание мощности, которое ограничивает их применение в некоторых портативных и высокоинтегрированных системах. Для снижения рассеивания мощности самый прямой метод — уменьшение геометрических размеров устройства, таких как сокращение длины резонатора и сужение хребта. Высокорефлективное (HR) покрытие также очень эффективно для снижения зеркальных потерь. Некоторые исследования были сделаны для снижения пороговой рассеиваемой мощности Фабри-Перо (FP) QCL с использованием короткого резонатора и нанесения HR покрытия [7] или частичного высокорефлективного (PHR) покрытия на гранях [8], где рассеиваемая мощность до 1,2 Вт при 22 °C и 0,83 Вт при 25 °C была продемонстрирована A. C. Richard и др. и Y. Bai и др. соответственно. Эти методы также могли быть применены к DFB устройствам. В 2014 г. Ryan M. Briggs и др. сообщили об однорежимном DFB QCL, излучающем при 4,8 мкм, с CW пороговым потреблением мощности 0,76 Вт и максимальной оптической мощностью около 17 мВт при 20 °C [9]. В 2015 г. A. Bismuto и др. продемонстрировали короткий резонатор, узкий хребет однорежимные DFB QCL, излучающие при 4,5 мкм, с CW пороговой рассеиваемой мощностью до 0,5 Вт при 20 °C [10]. Максимальная оптическая мощность около 150 мВт; однако вводимая электрическая мощность более 6 Вт. Другие методы, такие как оптимизация легирования и низкопериодная активная структура, также исследовались [7, 11]. Для краевых излучающих QCL HR покрытие обычно наносят на заднюю грань, оставляя переднюю грань не покрытой или PHR покрытой, чтобы снизить зеркальные потери, сохраняя при этом оптическую мощность, излучаемую с передней грани. Вместо этого обе грани могут быть HR покрыты для субстратного излучения, чтобы дополнительно снизить зеркальные потери, так как свет излучается из субстрата, а не с передней грани. Кроме того, улучшенные дальние поля могут ожидаться от субстратно-излучающих QCL [12, 13]. Согласно нашей недавней работе, субстратно-излучающий DFB QCL с низкой пороговой рассеиваемой мощностью 1,27 Вт при 20 °C был получен путем нанесения HR покрытия на обе грани [14]. Активная область в Ref [14] состоит из 40 сверхрешетчатых периодов, и пороговое напряжение около 13 В. Более низкое пороговое напряжение, и, следовательно, более низкая пороговая рассеиваемая мощность может быть ожидаемо, если уменьшить число периодов активной области. Длина резонатора 1 мм также может быть дополнительно сокращена путем правильного проектирования закопанной второй порядка решетки для снижения пороговой рассеиваемой мощности.

В настоящей работе разработан ультра-низкопотребляющий субстратно-излучающий DFB QCL. Пороговая рассеиваемая мощность в CW режиме составляет всего 0,4 Вт при 15 °C и 0,43 Вт при 25 °C за счет сокращения длины резонатора до 0,5 мм и нанесения HR покрытия на обе грани. Максимальная оптическая мощность в CW режиме 2,4 мВт при 25 °C, что достаточно для спектроскопических приложений. Однорежимное излучение достигнуто за счет закопанной второй порядка решетки. Углы расходимости 22,5° и 1,94° полной ширины на полувысоте (FWHM) в направлении ширины хребта и длины резонатора соответственно. Двухлопастое дальнее поле в направлении длины резонатора указывает на то, что антисимметричный режим предпочтителен. Эти устройства могут работать в CW режиме без режим-хопа в широком температурном диапазоне от 15 до 105 °C и будут очень подходящи в высокоинтегрированных портативных приложениях.

Методы

Активная область устройства основана на деформационно-компенсированном двухфонном резонансном дизайне, излучающем при ~4,6 мкм. Подложка выросла на n-легированном (Si, 2×10¹⁷ см⁻³) InP подложке методом молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE) с твердым источником. Тридцать стадий In₀.₆₇Ga₀.₃₃As/In₀.₃₆Al₀.₆₄As квантовых ям и барьеров были включены в активное ядро, что было похоже на Ref. [15]. Вся последовательность слоев была следующей: 1,2 мкм нижний клэддинг (Si, 2,2×10¹⁶ см⁻³), 0,3 мкм n-In₀.₅₃Ga₀.₄₇As (Si, 4×10¹⁶ см⁻³), 30 активных/инъекторных стадий, 0,3 мкм n-In₀.₅₃Ga₀.₄₇As (Si, 4×10¹⁶ см⁻³), и верхний волновод-клэддинг слой. Для фабрикации закопанной решетки, верхний волновод-клэддинг слой был удален до верхнего InGaAs слоя. Вторая порядок решетка с периодом Λ = 1,42 мкм (коэффициент заполнения σ = 0,45, глубина d = 130 нм) была определена на 0,3 мкм верхнем InGaAs слое голографической литографией и мокрым химическим травлением. Рис. 1a показывает РЭМ изображение закопанной второй порядка решетки. После этого 3 мкм низколегированный InP слой (Si, 2,2×10¹⁶ см⁻³), за которым следовал 0,15 мкм постепенно легированный InP слой (Si, от 1×10¹⁷ до 3×10¹⁷ см⁻³) и 0,4 мкм высоколегированный InP клэддинг слой (Si, 5×10¹⁸ см⁻³) были последовательно выполнены как верхний клэддинг металорганической фазовой эпитаксией (MOVPE).

a РЭМ изображение закопанной решетки и b смоделированный коэффициент связи и сила связи закопанной второй порядка решетки с COMSOL

После реализации регроута, вейфер травляли в двойноканальную волноводовую структуру со средней шириной ядра 7 мкм. Затем 450 нм SiO₂ осаждали плазмо-усиленной химической осадкой из пара (PECVD) для изоляции. 2 мкм окно электронной инъекции паттернили на SiO₂ слое хребта, и электрический контакт обеспечивали Ti/Au слоем. Для лучшего теплоотвода дополнительный 4 мкм Au слой гальванически осаждали. Перед фактическим расщеплением, массивные симуляции для проектирования второй порядка закопанной решетки реализовывали методом конечных элементов (COMSOL), похоже на Ref. [16]. После прореживания до 150 мкм, волновод расщепляли на 0,5- и 1-мм устройства, соответствующие силе связи 0,54 ~ 1,77 и 1,08 ~ 3,55 соответственно. Затем обе грани этих устройств HR покрывали электронно-лучевым испарением. HR покрытие состояло из Al₂O₃/Ti/Au/Al₂O₃ (200/10/100/120). Устройства монтировали эпи-слой вниз на медных тепловых распорках с индиевым припоем, а затем проволочно соединяли с внешней контактной площадкой.

Тестирование устройств выполняли на термоэлектрическом охладителе (TEC) с термистором, регулирующим и мониторящим температуру теплового распора. Выходная мощность QCL измеряли калиброванным термокуполным детектором (Coherent, EMP1000), помещенным прямо перед устройством с металлической трубкой, собирающей лазерное излучение. Затем устройство помещали на ступенчато-моторную вращательную площадку с разрешением 0,01° для теста дальнего поля, и комнатнотемпературный HgCdTe детектор (Vigo, PVMI-10.6) помещали перед лазером на расстоянии 30 см для детекции излучения. Спектральные измерения проводили с помощью Фурье-преобразования инфракрасного (FTIR) спектрометра (Thermo Fisher Scientific, Nicolet 8700) с разрешением 0,25 см⁻¹ в режиме быстрого сканирования.

Результаты и обсуждение

Результат COMSOL симуляции показан на рис. 1b. Согласно расчету, коэффициент связи |κ| = 35,5 ~ 10,75 см⁻¹ получен для закопанной решетки с коэффициентом заполнения 0,35 ~ 0,45 и глубиной травления 180 нм. Сила связи g = |κ|L, где L — длина резонатора QCL. Для получения эффективного поверхностного излучения сила связи 1-2 всегда требуется. Для устройства с 1 и 0,5 мм длиной резонатора смоделированные силы связи находятся в диапазоне 3,55 ~ 1,07 и 1,78 ~ 0,54 когда коэффициент заполнения 0,35 ~ 0,45. Следовательно, проектирование закопанной решетки очень существенно для устройств с короткой длиной резонатора.

Особого интереса электрическая характеристика. Свет-ток-напряжение (L-I-V) кривая устройств с разной длиной резонатора показана на рис. 2. Лазеры работали в CW режиме и температура теплового распора регулировалась температурным контроллером (Thorlabs, ITC-QCL-4000). Как показано на рис. 2a, устройство с 1 мм резонатором демонстрирует пороговый ток 65 мА при 25 °C, соответствующий пороговой плотности тока 0,54 кА·см⁻² и рассеиваемой мощности 0,67 Вт. Максимальная оптическая мощность 8,6 мВт с вводимой электрической мощностью 1,66 Вт, и наклонная эффективность 0,11 Вт/А. При высокой температуре 65 °C максимальная оптическая мощность все еще более 5 мВт. Для 0,5 мм резонатора пороговый ток и рассеиваемая мощность снижены до 39 мА и 0,4 Вт при 15 °C, как показано на рис. 2b. Пороговая плотность тока 0,65 кА·см⁻². Максимальная оптическая мощность 2,8 мВт выводится при вводимой электрической мощности 0,74 Вт. При 25 °C пороговый ток слегка увеличивается до 41 мА, соответствующему потреблению мощности 0,43 Вт. Насколько нам известно, это наименьшее пороговое потребление мощности QCL при той же температуре. Максимальная оптическая мощность этого устройства 2,4 мВт с рассеиваемой мощностью 0,76 Вт, что очень способно для некоторых высокоинтегрированных сенсорных приложений. При 35 °C максимальная оптическая мощность около 1,9 мВт. Это устройство может работать при температуре до 105 °C в CW режиме, но выходная мощность становится малой и слишком трудно детектировать точно. По сравнению с предыдущими работами в Ref [9,10,11], максимальная оптическая мощность нашего дизайна не замечательна из-за низкого стенового КПД устройства. Это внутренне ограничено качеством эпитаксиальной вейфера. Кроме того, максимальный стеновый КПД 0,5 мм устройства 0,32% при комнатной температуре, меньше чем у 1 мм устройства, т.е. 0,5%.

L-I-V характеристики 1 мм (a) и 0,5 мм (b) устройств

Спектральная характеристика лазеров показана на рис. 3. Оба 1 и 0,5 мм устройства могут работать в CW режиме без режим-хопа в широком температурном диапазоне от 15 до 105 °C. Это самая высокая рабочая температура во всех низкопотребляющих QCL. Такая высокая рабочая температура в основном обусловлена сниженными зеркальными потерями, принесенными HR покрытием на гранях. Температурный сдвиг коэффициент -0,21 см⁻¹/К и -0,19 см⁻¹/К соответственно. Существует небольшая разница между спектральными режимами двух устройств в одном температурном диапазоне, что, вероятно, вызвано неравномерной литографией и процессом травления решетки. Подавление боковых мод (SMSR) устройства около 25 дБ. Хорошая линейная настройка, однорежимность и высокая рабочая температура делают эти устройства очень полезными в некоторых реальных приложениях, таких как трассировка газов.

Лазерные спектры a 0,5 и b 1 мм длины резонатора устройств

Дальнее поле распределения 0,5 мм устройства показано на рис. 4. В направлении ширины хребта наблюдается однослопастый паттерн с углом расходимости 22,5° (FWHM), как показано на рис. 4a. Рисунок 4b показывает дальнее поле паттерн в направлении длины резонатора. Дальнее поле паттерн указывает на то, что антисимметричный режим предпочтителен, что вызвано неравномерностями ручного расщепления и остаточными граневыми отражениями [16]. Симметричный режим может быть получен использованием распределенного брагговского рефлектора (DBR) решетки по обе стороны от DFB области решетки для устранения неконтролируемых расщепленных граневых отражений [17].

Дальнее поле распределения 0,5-мм резонатора устройства. a, b Дальнее поле распределения в направлении ширины хребта и длины резонатора соответственно

Заключение

Мы разработали субстратно-излучающий DFB QCL с ультра-низкой пороговой рассеиваемой мощностью 0,43 Вт при 25 °C в CW режиме за счет сокращения длины резонатора до 0,5 мм и нанесения HR покрытия на обе грани. Его максимальная оптическая мощность 2,4 мВт, а соответствующая рассеиваемая мощность 0,76 Вт. Однорежимное излучение без режим-хопа получено в широком температурном диапазоне от 15 до 105 °C путем определения закопанной второй порядка DFB решетки. Углы расходимости 22,5° и 1,94° в направлении ширины хребта и длины резонатора соответственно. Низкопотребляющая характеристика устройства может сделать его перспективным источником света в некоторых батарейно-питаемых портативных системах.

Аббревиатуры

CW:

Непрерывная волна

DFB:

Распределенная обратная связь

FP:

Фабри-Перо

FTIR:

Фурье-преобразование инфракрасное

FWHM:

Полная ширина на полувысоте

HR:

Высокая рефлективность

MBE:

Молекулярно-лучевая эпитаксия

MOVPE:

Металлоорганическая фазовая эпитаксия

PECVD:

Плазмо-усиленная химическая осадка из пара

PHR:

Частичная высокая рефлективность

QCL:

Квантовый каскадный лазер

SEM:

Растровая электронная микроскопия

SMSR:

Отношение подавления боковых мод

TEC:

Термоэлектрический охладитель