Стабильный однорежимный DFB квантовый каскадный лазер на 4,76 мкм с оптимизированными покрытиями фасетов

Аннотация

В работе представлены квантовые каскадные лазеры (ККЛ) на основе деформационной компенсации в сочетании с двухфононным резонансным дизайном. Лазер с распределенной обратной связью (DFB), излучающий на длине волны ~4,76 мкм, был изготовлен с использованием стандартного погруженного решетки первого порядка и технологии погруженной гетероструктуры (BH). Стабильная однорежимная генерация достигается при всех токах впрыска и температурах без перескакования моды благодаря оптимизированному антирефлексивному (AR) покрытию на передней фасете. AR-покрытие состоит из двухслойного диэлектрика Al₂O₃ и Ge. Для резонатора длиной 2 мм максимальная выходная мощность AR-покрытого DFB-ККЛ составила более 170 мВт при 20 °C с высоким коэффициентом преобразования энергии (WPE) 4,7% в непрерывном режиме (CW).

Введение

Среднеинфракрасные квантовые каскадные лазеры (ККЛ) являются одними из самых перспективных источников света для множества коммерческих применений. Практические задачи, такие как газовый анализ, свободная космическая связь и высокореゾлюционная спектроскопия, требуют ККЛ с высокой мощностью, улучшенной однорежимной надежностью и низкой стоимостью. С момента демонстрации первого DFB-ККЛ в 1997 году характеристики этих устройств значительно улучшились, включая демонстрацию комнатной CW-работы с высокой мощностью во всем среднеинфракрасном диапазоне. Однако большинство DFB-ККЛ на основе погруженной решетки страдают от проблемы случайных расщепленных фасетов, определяющих частоту лазерной моды. Из-за одинаковых потерь в двух краевых модах стабильная однорежимная работа не может быть гарантирована. Особенно при высоких температурах или больших токах впрыска происходит перескакивание мод, что вредно для применений в однорежимных устройствах.

Для обеспечения стабильной однорежимной работы в период решетки вводили четвертьволновый фазовый сдвиг (λ/4 PS), позволяя лазеру работать в дефектной моде, тем самым избегая конкуренции между двумя краевыми модами. Однако для fabricación λ/4 PS-решетки требуется электронно-лучевая литография, что трудоемко и дорого. DFB-лазер со связанной через зону усиления (gain-coupled) — хороший выбор для стабильной однорежимной работы в обычных полупроводниковых лазерах, но для ККЛ создание таких лазеров нереально из-за больших потерь, вызванных травленной активной областью. Другой изящный метод — использование механизма связи потерь резонатора для увеличения разницы потерь между двумя DFB-модами. Считается, что подходящее фасеточное покрытие может обеспечить стабильную однорежимную работу даже при высоких температурах и больших токах. Хотя есть исследования, посвященные фасеточным покрытиям, они обычно фокусируются на формировании оптимальной эквивалентной длины резонатора L_opt для сохранения WPE, а не на однорежимной надежности. Оптимизированное рефлективное покрытие — перспективный способ решения конкуренции между двумя DFB-модами, заслуживающий систематического изучения.

В статье представлена стабильная однорежимная работа DFB-ККЛ на λ ~ 4,76 мкм после нанесения AR/HR-покрытий. AR-покрытие состоит из двухслойного диэлектрика Al₂O₃ (380 нм) и Ge (33 нм). Устройства демонстрируют очень низкую плотность порогового тока 0,65 кА/см² при 20 °C. Однорежимная генерация с отношением подавления боковых мод (SMSR) выше 26 дБ достигается до температуры 90 °C в CW-режиме без перескакования мод. Считается, что антирефлексивное покрытие на передней фасете крайне ценно для подавления случайной фазы фасета резонатора.

Методы

Теория и моделирование

Ядром моделирования влияния антирефлексивного покрытия в конечном DFB-резонаторе является расчет потерь мод для двух краевых мод. Метод матрицы передачи — подходящий способ анализа всей лазерной структуры. Рассматривается применение этого метода к устройствам с продольным профилем показателя преломления, подобным показанному на рис. 1. Схема иллюстрирует влияние решетки с небольшой разницей эффективных показателей преломления (n_eff,1, n_eff,2) и покрыточных пленок (n₃, n₄) на направляемую моду. Комплексные показатели преломления основных материалов, использованные в расчетах: InP (3,088 + i·2·10⁻⁴), InGaAs (3,4 + i·2,9·10⁻⁵), активная область (3,298 + i·4·10⁻⁵), высоколегированный InP (2,81 + i·1,4·10⁻²), SiO₂ (1,3603 + i·6,3·10⁻⁴), Au (1,341 + i·32,582), Al₂O₃ (1,5348 + i·3,2967·10⁻³) и Ge (4,0165 + i·4·10⁻²). Затем различные эффективные показатели n_eff,1 = 3,1599 + i·5,17·10⁻⁵ и n_eff,2 = 3,1662 + i·5,6756·10⁻⁵ были получены с помощью COMSOL через функцию PDE. Предполагается, что лазер работает в одном поперечном режиме, поэтому характеристики распространения света в каждой точке вдоль резонатора описываются единственной скалярной комплексной величиной k — волновым вектором среды. Дальше считается, что лазер линейно поляризован, а его электрическое поле имеет синусоидальную временную зависимость e^{iωt}. При этих предположениях одномерный плоский электромагнитный волновой фактор E_z, описывающий пространственную часть волновой функции, удовлетворяет уравнению Гельмгольца:

∂²E_z/∂z² + K²(z)E_z = 0 (1)

где K(z) = (ω/c)·n(z) = k·n(z) = (k_r + i k_i)·n(z) (2)

ω и c — угловая частота и скорость света, n(z) — комплексный показатель преломления в каждой точке вдоль резонатора. Волновой вектор k, который нужно найти, делится на две части: k_r и k_i. Реальная часть k_r определяет длину волны света в резонаторе, а мнимая часть k_i происходит от потерь моды конечного резонатора и учитывает затухание. Из рис. 1 видно, что лазер можно рассматривать как многосекционное устройство с 2N + 2 секциями, где N — период решетки. В каждой секции электрическое поле E_n(z) является линейной комбинацией двух противораспространяющихся экспоненциально плоских волн: одна убывает с комплексной амплитудой A_n, другая растет с B_n:

E_n(z) = A_n exp(-i K_n z) + B_n exp(i K_n z) (3)

Всего имеется 2N + 3 границы разделения. На каждой границе и электрическое поле, и его производная по направлению распространения должны быть равны с обеих сторон. Получаем уравнение:

[E_{2N+3}(z); E'_{2N+3}(z)] = ∏_{n=0}^{2N+2} M(d_n) [E_0(z); E'_0(z)] = [μ₁₁ μ₁₂; μ₂₁ μ₂₂] · [E_0(z); E'_0(z)] (4)

Матрица передачи M(d_n) задается:

M(d_n) = [cos(k n_n d_n) (1/(k n_n)) sin(k n_n d_n); -k n_n sin(k n_n d_n) cos(k n_n d_n)] (5)

Учитывая, что электрически накачиваемый лазер — это автогенератор, входящих волн извне нет. Это дает граничные условия B_0 = A_{2N+3} = 0, и уравнение преобразуется к:

f = i k μ₁₁ + μ₁₂ k² - μ₂₁ + i k μ₂₂ = 0 (6)

Каждое значение волнового вектора k можно получить с помощью Matlab через уравнение (6). Мнимые части k_i, соответствующие потерям мод резонатора, помогают проанализировать эффекты AR-покрытия.

Рис. 2a демонстрирует результаты расчетов на основе симуляции матрицы передачи. Как показывают две красные кривые, потери высокочастотной моды меняются очень медленно с уменьшением отражательной способности, тогда как потери низкочастотной моды растут резко. Вставка показывает профиль моды, рассчитанный для низко- и высокочастотных мод для одного периода решетки. Низкочастотная мода имеет большую амплитуду электрического поля в пиках решетки (части с более высоким показателем преломления), а высокочастотная мода более сконцентрирована в части с более низким показателем преломления. Для бесконечной модели резонатора без фасеточной отражательной способности высокочастотная мода всегда имеет меньшие потери моды, чем низкочастотная. Если эффект конечных зеркал можно игнорировать, то высокочастотная мода с меньшими волноводными потерями всегда будет генерировать. Однако наличие конечных зеркал дает отражения, которые конструктивно или деструктивно интерферируют с DFB-модами в резонаторе лазера. Эта интерференция влияет на потери мод конечной решетки-резонатора и может определять, какая мода генерирует. Эффект зеркал максимален, когда положение обоих зеркал совпадает с пиком амплитуды электрического поля одной DFB-моды, что также соответствует узлу для другой DFB-моды. Здесь зеркала непокрытой фасети совпадают с пиком низкочастотной моды, и отражения от конечных зеркал максимально конструктивно интерферируют с модой, присутствующей в резонаторе. Это приводит к уменьшению общих потерь моды за счет конструктивного вклада зеркала. По мере уменьшения отражательной способности и дополнительного фазового сдвига за счет использования двухслойного AR-покрытия потери низкочастотной моды постепенно растут из-за ослабления интерференционного эффекта и увеличения зеркальных потерь. В то же время потери высокочастотной моды меняются незначительно из-за усиления интерференционного эффекта. Это приводит к тому, что разница потерь мод Δ ведет себя подобно экспоненциальной функции, особенно когда отражательная способность передней фасети < 0,15. Согласно моделированию, существует только одна минимальная точка во всем спектре, когда отражательная способность передней фасети < 0,11, что означает, что перескакивание моды не может произойти теоретически, так как потери другой краевой моды слишком высоки для генерации.

Рис. 2b показывает три типичных спектра потерь мод при симуляции с разными AR-покрытиями. Краевые моды высокой и низкой частоты составляют 4,762 и 4,779 мкм соответственно. Первый — DFB-ККЛ без AR-покрытия. Четко видна запрещенная зона, возникающая из-за обратной связи решетки, и две краевые моды почти идентичны. Второй — специфическое AR-покрытие с 200 нм Al₂O₃ и 5 нм Ge с отражательной способностью 0,22. Разница между двумя краевыми модами становится очевидной. Третий — при более низкой отражательной способности покрытия Δ потерь мод настолько велико, что низкочастотная мода погружается под потери запрещенной зоны. Хотя в теории более низкая отражательная способность дает большую Δ потерь мод, необходимо также учитывать, что экстремально низкая отражательная способность вызывает огромные зеркальные потери в устройствах, что резко снижает WPE. Это компромисс при выборе толщины пленки на основе эксперимента.

Фабрикация устройств

ККЛ-структура была вырощена на n-легированном (Si, 3×10¹⁷ см⁻³) InP-подложке методом молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE) с использованием двухфононного резонансного дизайна. Активное ядро включает 40 ступеней деформационно-компенсированных квантовых ям и барьеров In₀.₆₆₉Ga₀.₃₃₁As/In₀.₃₆₂Al₀.₆₃₈As, аналогичных работе [18]. Последовательность слоев: 2-мкм нижний InP-клад (Si, 2,5×10¹⁶ см⁻³), 0,3-мкм согласованный In₀.₄₇Ga₀.₅₃As слой (Si, 4×10¹⁶ см⁻³), 40 активных/инжекторных ступеней, 0,3-мкм In₀.₄₇Ga₀.₅₃As слой (Si, 4×10¹⁶ см⁻³), 3-мкм верхний InP-клад (Si, 2,5×10¹⁶ см⁻³) и 0,7-мкм высоколегированный InP-клад (Si, 5×10¹⁸ см⁻³). Средний уровень легирования активной области эмпирически подбирался как 2,4×10¹⁶ см⁻³. Для изготовления погруженной решетки верхний clad был удален до верхнего InGaAs-слоя. Решетка первого порядка DFB с периодом Λ = 0,755 мкм (коэффициент заполнения σ = 20%) была определена на 300-нм верхнем InGaAs-слое с помощью голографической литографии и затем травлена до глубины ~90 нм влажным химическим травлением. Затем последовательно выростили 3-мкм низколегированный (Si, 2,5×10¹⁶ см⁻³) InP-слой, 0,2-мкм постепенно легированный (изменяющийся от 1×10¹⁷ до 3×10¹⁷ см⁻³) InP-слой и 0,5-мкм InP (5×10¹⁸ см⁻³) контактный слой в качестве верхнего клада методом металло-органической паровой фазовой эпитаксии (MOVPE).

После реализации структуры решетки и повторного роста эпи-обложка была травлена в 10-мкм широкие гребни, а затем волноводы были снова введены в MOVPE-систему и погружены в полупроводящий InP (Fe). 450-нм слой SiO₂ был осажден плазменно-стимулируемой химической осадкой из пар (PECVD) для изоляции вокруг гребня, а электрический контакт обеспечен слоем Ti/Au. Дополнительный 5-мкм золотой слой был гальванически осажден для улучшения теплоотвода. Волноводы расщепляли на 2-мм планки, испытания проводились на устройствах с оптимизированными фасеточными покрытиями. Оба задней фасеты HR-покрытие, состоящее из Al₂O₃/Ti/Au/Ti/Al₂O₃ (400/5/100/10/200 нм), и передней фасеты AR-покрытие, состоящее из Al₂O₃/Ge (380/33 нм), осаждались электронно-лучевым испарением. Расчетная отражательная способность передней фасеты составляет 3,4% для длины волны 4,76 мкм, подробная зависимость между колебанием толщины покрытия и отражательной способностью обсуждалась в ранее опубликованной работе [19]. Лазеры монтировали активным слоем вниз на SiC-распределителях тепла с индиевым припоем и затем проводно соединяли с внешней контактной площадкой. Для спектральной и электрической характеристики лазеры монтировали на пельтье и температуру контролировали термистором на распределителе тепла.

Результаты и обсуждение

Рис. 3 показывает подпороговые спектры излучения, динамически изменяющиеся от электролюминесценции к генерации с ростом тока, измеренные с помощью FTIR-спектрометра Bruker Vertex 70 и азотно-охлажденного HgCdTe-детектора. Спектр лазера непосредственно выше порога указывает на работу на фундаментальной моде, и мы четко видим запрещенную зону фундаментальной моды при токе 285 мА. Из ширины запрещенной зоны Δν = 3,076 см⁻¹ и эффективного показателя преломления n_eff = 1/(2νΛ) = 3,153 рассчитываем коэффициент связи κ = Δν·π·n_eff = 30,4 см⁻¹, что для нашего HR-покрытого 2-мм резонатора дает произведение κL = 12,1, что хорошо согласуется с нашей фабрикацией. Произведение κL намного больше предыдущего теоретического исследования κL ≈ 1, что указывает на получение схемы с избыточной связью, полезной для обеспечения однорежимности во всем диапазоне токов и исследуемых температур.

Рис. 4a показывает типичные CW P-I-V характеристики DFB-лазера при разных температурах теплораспределителя от 20 до 90 °C. Выходная мощность достигает 200 мВт для 2-мм устройства с низкой плотностью порогового тока 0,65 кА/см² при 20 °C. Пороговое напряжение (V_th) 13,2–14,2 В измерялось в диапазоне 20–90 °C. Стоит отметить, что перескакивание моды существует только при низких температурах теплораспределителя ниже 60 °C, что легко выводится из P-I кривой. Высокая температура теплораспределителя способствует более серьезному накоплению тепла в ядре лазера, так что термический эффект подавляет генерацию другой моды и перескакивание не происходит. Рис. 4b показывает P-I-V кривую DFB-лазера, на переднюю фасету которого нанесено AR-покрытие с отражательной способностью 3,4%. Каждая гладкая P-I кривая указывает на отсутствие перескакивания моды во всем измеренном диапазоне температур. Рис. 4c, d показывают спектры генерации при разных токах от 150 до 250 мА с шагом 25 мА. Очевидно из рис. 4d, что мы достигаем стабильной однорежимной работы при разных токах с оптимизированным AR-фасеточным покрытием, в отличие от перескакивания мод на рис. 4c. Частота всегда сохраняет линейную зависимость от тока впрыска, и коэффициент настройки тока Δν/ΔI = -0,024 см⁻¹ мА⁻¹ доказывает, что AR-покрытие — простой и эффективный метод решения проблемы перескакивания мод в DFB-ККЛ.

Рис. 5 показывает спектры излучения покрытого DFB-лазера при разных температурах теплораспределителя от 20 до 90 °C. Измерения проводились с помощью FTIR-спектрометра NICOLET 8700 с разрешением 0,25 см⁻¹ в режиме быстрого сканирования. Однорежимная продольная генерация наблюдается во всем исследуемом температурном диапазоне с SMSR 26 дБ при высокой температуре 90 °C. Как показано во вставке на рис. 5, пик излучения смещается от 2100,4 см⁻¹ при 20 °C до 2088,6 см⁻¹ при 90 °C, что соответствует температурному коэффициенту настройки Δν/ΔT = -0,168 см⁻¹ К⁻¹. Хорошая линейная настройка указывает на отсутствие перескакования моды при изменении температуры теплораспределителя. Кроме того, все упомянутые устройства демонстрируют доминирующее однорежимное боковое дальнее поле в CW-режиме на фундаментальной моде благодаря точному контролю ширины гребня.

CW WPE был рассчитан и изображен как функция потребляемой электрической мощности на рис. 6. При 20 °C максимальный WPE 4,7% получен при ~240 мА с выходной мощностью 170 мВт. Максимальный WPE все еще составлял 2,9 и 0,8% при 50 и 90 °C соответственно. На сегодняшний день эти значения остаются очень высокими для низкопороговых DFB-ККЛ благодаря высокому качеству материала и оптимизированному фасеточному покрытию. Считается, что WPE может быть еще улучшен оптимизированным выбором длины резонатора с учетом эффекта покрытия.

Заключение

Мы продемонстрировали комнатную CW-работу однорежимных DFB-ККЛ на λ ~ 4,76 мкм. Нанесением AR-покрытия, состоящего из двухслойного диэлектрика Al₂O₃ и Ge на переднюю фасету, успешно реализована стабильная однорежимная работа без перескакования мод при всех токах и температурах. При 20 °C наблюдается CW выходная мощность до 170 мВт с очень низкой плотностью порогового тока 0,65 кА/см². Такие устройства представляют важный шаг к использованию стабильной однорежимной работы DFB-ККЛ в среднеинфракрасном диапазоне для практических применений.

Аббревиатуры

AR:

Антирефлексивное (Antireflection)

BH:

Погруженная гетероструктура (Buried heterostructure)

CW:

Непрерывная волна (Continuous wave)

DFB:

Распределенная обратная связь (Distributed feedback)

HR:

Высокая отражательная способность (High reflection)

MBE:

Молекулярно-лучевая эпитаксия (Molecular beam epitaxy)

MOVPE:

Металло-органическая паровая фазовая эпитаксия (Metal organic vapor phase epitaxy)

PDE:

Уравнение в частных производных (Partial differential equation)

PECVD:

Плазменно-стимулируемая химическая осадка из пар (Plasma-enhanced chemical vapor deposition)

P-I-V:

Мощность-ток-напряжение (Power-current-voltage)

QCL:

Квантовый каскадный лазер (Quantum cascade laser)

SMSR:

Отношение подавления боковых мод (Side-mode suppression ratio)

V_th:

Пороговое напряжение (Threshold voltage)

WPE:

Коэффициент преобразования энергии (Wall-plug efficiency)

λ/4 PS:

Четвертьволновый фазовый сдвиг (A quarter-wave phase shift)