Высокомощные конические массивы квантово-каскадных лазеров с интеграцией Тальбо-полости

Аннотация

Масштабирование мощности в квантово-каскадных лазерах (QCL) с широкой активной областью обычно приводит к ухудшению качества луча с многоблестковой дальней полевой картиной. В данном письме мы демонстрируем конический массив QCL, интегрированный с Тальбо-полостью с одной стороны массива. Достигнута работа на фундаментальном суперрежиме в массивах с прямым концом конической части, соединенным с Тальбо-полостью. Боковая дальняя полевая картина фундаментального суперрежима демонстрирует близкую к дифракционному пределу расходимость луча 2,7°. Выходная мощность пятиэлементного массива примерно в три раза выше, чем у однограневого лазера, при длине волны излучения ~4,8 мкм. Однако массивы с коническим концом, соединенным с Тальбо-полостью, всегда работают на высокопорядковых суперрежимах независимо от длины Тальбо-полости.

Введение

Квантово-каскадный лазер (QCL), изобретенный в 1994 году, стал одним из важнейших источников света в среднем и дальнем инфракрасном диапазонах благодаря гибкости длины волны и компактности. Применения QCL охватывают свободно-пространственную оптическую связь, инфракрасные контрмеры (DIRCM), трассовый химический анализ взрывчатых веществ, токсинов, загрязнителей и медицинскую диагностику. Многие приложения требуют высокой выходной мощности для лучшего эффекта подавления и точности детектирования. Высокую мощность QCL можно получить расширением ширины активной области. Однако простое расширение гребенки без волноводного проектирования или внешней оптики ухудшает качество луча с появлением многоблестковой дальней полевой картины. Одноблестковое излучение ранее достигали методами: фотонно-кристаллические распределенно-обратные QCL (PCDFB), QCL с наклонной полостью, мастер-осциллятор-мощностной усилитель (MOPA) и широкополосные QCL с внешней обратной связью. Недавно фазово-синхронизированные массивы стали популярным подходом для поддержания когерентных узких диаграмм направленности в QCL с широкой гребенкой.

Фазово-синхронизированные массивы успешно применялись в широкополосных полупроводниковых лазерах с малой расходимостью еще с 1980-х годов. В предыдущих работах изучались фазово-синхронизированные QCL массивы в Y-разветвленных, резонансных утечка-волновых и эванесцентно-связанных массивах, как это делалось для ближнего ИК. Эти структуры либо вносили большие потери в волновод, либо приводили к накоплению тепла при стремлении к малым расстояниям для получения связи. Недавно сообщали о дифракционно-связанных QCL массивах с интегрированной боковой полостью на основе дифракционного эффекта Тальбо. В дифракционно-связанной структуре связь происходит в Тальбо-полости за счет дифракции конца гребенки и отражения от грани полости. Элементы дифракционно-связанного фазово-синхронизированного QCL массива могут располагаться на большом расстоянии, что снижает накопление тепла.

Эффект Тальбо — известное оптическое явление: периодическая структура воспроизводит самобразы на определенных регулярных расстояниях. Этот эффект использовали для фазовой синхронизации лазеров в ближнем ИК — схема дифракционной связи фазово-синхронизированного массива. В этом методе плоское зеркало размещают перед границей полости лазерного массива для обеспечения оптической обратной связи. Расстояние между зеркалом и гранью массива — так называемое Тальбо-расстояние, определяется как

$$ Z_t = \frac{2 n d^2}{\lambda} $$

где n — показатель преломления материала, d — расстояние между центрами элементов массива, λ — длина волны в свободном пространстве. Суперрежимы, отраженные в каналы массива, получают саморепродуктивную генерацию. Рис. 1 показывает распределение фундаментального и высокопорядкового суперрежимов на дробном Тальбо-расстоянии. Когда суперрежимы в позиции Z_t/4 отражаются в каналы массива, извлекается генерация на фундаментальном суперрежиме.

Выходная мощность Тальбо-полостных фазово-синхронизированных QCL массивов ограничена низкой эффективностью связи между Тальбо-полостью и каналами массива. Для дальнейшего увеличения мощности нужно повысить коэффициент заполнения (отношение ширины гребенки к периоду). Однако расширение ширины канала приводит к генерации высокопорядковых мод в элементах массива. Уменьшение межцентрового расстояния увеличивает накопление тепла. Коническая структура — один из лучших методов увеличить коэффициент заполнения, сохраняя однополостную работу отдельной гребенки. В данном письме используются конические структуры, и Тальбо-полости интегрируются с одной стороны конических элементов. Устройства с прямым концом, соединенным с Тальбо-полостью, показывают работу на фундаментальном суперрежиме с близкой к дифракционному пределу (D.L.) расходимостью дальней поля 2,7°. Напротив, устройства с коническим концом, соединенным с Тальбо-полостью, демонстрируют работу на высокопорядковых суперрежимах при любой длине Тальбо-полости. Достигнута максимальная пиковая мощность 1,3 Вт для устройств с прямым концом, соединенным с Тальбо-полостью, с пороговой плотностью тока 3,7 кА/см² и наклонной эффективностью 0,6 Вт/А при 298 К.

Методы

QCL структура выращена на n-типе (Si, 2×10¹⁷ см⁻³) InP подложке методом молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE) с твердыми источниками. Активная область (AR) состоит из 35 периодов деформированно-компенсированных In_0,67Ga_0,33As/In_0,37Al_0,63As квантовых ям и барьеров. Полная структура вейфера до обработки: 4 мкм нижний InP клэддинг (Si, 3×10¹⁶ см⁻³), 0,3 мкм n-In_0,53Ga_0,47As (Si, 4×10¹⁶ см⁻³), 35 активных/инъекторных каскадов, 0,3 мкм n-In_0,53Ga_0,47As (Si, 4×10¹⁶ см⁻³), 2,6 мкм InP верхний клэддинг (Si, 3×10¹⁶ см⁻³), 0,15 мкм InP постепенно легированный слой (от 1×10¹⁷ до 3×10¹⁷ см⁻³), 0,4 мкм высоколегированный InP клэддинг (Si, 5×10¹⁸ см⁻³).

После эпитаксии в MBE устройства травили мокрым химическим травлением и осаждали 450 нм SiO₂ методом PECVD. После открытия окон для электрического контакта формировали верхний металлический контакт. Две секции — Тальбо-полость и конический массив — электрически соединены через верхний Au контакт. Затем подложку точили и осаждали нижние контакты. Вейфер расклевали на ~2 мм дисковой пилой для точного контроля длины Тальбо-полости. Устройства припаивали активной стороной вниз на медный радиатор с индиевым припоем. Поскольку секция Тальбо-полости электрически накачивается, тепло накапливается из-за её большой размерности, чего в будущих работах следует избегать электроизоляцией. Тальбо-полость, возможно, можно заменить другим волноводным материалом сложной технологией (сварка вейферов, выравнивание), сохраняя фазовую синхронизацию. Согласно распределению суперрежимов Тальбо-полости (рис. 1), длина Тальбо-полости выбрана Z_t/8, как в работе [19], что составляет ~104 мкм. Рис. 2 показывает схему и микроскопические фото устройства. Массивы содержат пять конических элементов и Тальбо-полость. Конический элемент состоит из 1-мм конического конца и ~0,9-мм прямого конца с шириной, меняющейся от 10 до 16 мкм. Межцентровое расстояние между соседними элементами 25 мкм, длина каждого лазерного устройства ~2 мм. Длина Тальбо-полости во всех случаях ~104 мкм.

Результаты и обсуждение

Согласно теории связанных мод, число суперрежимов в фазово-синхронизированном массиве равно числу элементов. Например, массив из пяти элементов имеет пять суперрежимов. Предполагая только соседнюю связь между элементами массива в Тальбо-полости, распределение ближнего поля разных порядков суперрежима можно получить из связанной матрицы. Распределение амплитуды ближнего поля как функция поперечного измерения массива:

$$ E_j \propto \sum_{m=1}^M \sin\left(\frac{m j}{M+1}\pi\right) \exp\left[-\frac{(x - x_m)^2}{\omega^2}\right] $$

где j — порядок суперрежима, M — число элементов массива, ω — пояс гауссова луча в каждом элементе, x_m — центр каждого элемента. Результаты моделирования для разных порядков суперрежимов показаны на рис. 3a. Соответствующие дальние полевые картины получаются преобразованием Фурье из распределения ближнего поля (рис. 3b).

Дальние полевые картины Тальбо-полостных фазово-синхронизированных массивов измеряли с фронтальной грани волновода массива методом лок-ин с комнатнотемпературным детектором MCT (mercury-cadmium-telluride). QCL массив на вращающейся платформе размещали ~25 см от MCT детектора и управляли домашним ПО для сбора данных. Измеренные дальние полевые картины показаны на рис. 3c,d для устройств с прямым и коническим концом соответственно. На рис. 3c видны сильные центральные доли при 0°, указывающие на работу фундаментального суперрежима согласно теории связанных мод. Половина ширины на полувысоте (FWHM) ~2,7°, что соответствует дифракционно-ограниченной (D.L.) расходимости по формуле: sin θ = 1,22 λ / d, где θ — D.L. угол, λ — длина волны, d — ширина светового выхода массива. Для конического одноблудного излучателя с шириной выхода 16 мкм D.L. FWHM расходимость ~21°. Боковые доли появляются около ~12°, очень близко к FWHM положению оболочки дальней поля одноблудного излучателя. Интенсивности центральной и боковых долей соответствуют распределению дальней поля одноблудного излучателя. Таким образом, боковые доли имеют половину интенсивности центральной. Одноблестковый профиль дальней поля массива можно получить увеличением ширины гребенки для уменьшения расходимости элементов массива. Более широкая гребенка достигается расширением конической части. Дальние полевые картины на рис. 3d не имеют доли в центре 0°, а являются преимущественно двухдольными, показывая работу высокопорядковых суперрежимов, соответствующих третьему суперрежиму на рис. 3b. Для получения фундаментального суперрежима изготавливали устройства с разной длиной Тальбо-полости от 90 до 110 мкм с шагом 1 мкм. К сожалению, фундаментальный суперрежим в устройстве с коническим концом, подключенным к Тальбо-полости, не получался при любой длине Тальбо-полости.

Результаты дальнего поля двух типов массивов объясняются теоретической моделью из работ [19, 21]. Тальбо-полость можно приблизить как отражающее зеркало с разным эквивалентным коэффициентом отражения для разных суперрежимов; высокое эквивалентное отражение означает высокую коэффициент усиления и низкий порог генерации. Расчет и моделирование эквивалентного отражения аналогичны работе [19]. Рис. 4 показывает результаты моделирования эквивалентного отражения для разных порядков суперрежимов в зависимости от длины Тальбо-полости. Поскольку N=2,4 порядки суперрежимов всегда имеют большие волноводные потери, чем N=1,3,5, они исключены из моделирования. Для массивов с прямым концом, подключенным к Тальбо-полости, фундаментальный суперрежим имеет наивысшее эквивалентное отражение и большую дискриминацию по сравнению с высокопорядковыми суперрежимами вокруг Z_t/8. Для массивов с коническим концом, подключенным к Тальбо-полости, дискриминация между фундаментальным и высокопорядковым суперрежимами относительно мала. В этом случае лазер склонен работать на третьем суперрежиме из-за слабой модовой дискриминации в устройстве с коническим концом.

Излучаемая оптическая мощность измеряли калиброванным термопиловым детектором, помещенным прямо перед фронтальной гранью волновода лазера. Спектральные измерения выполняли Фурье-спектрометром (FTIR) с разрешением 0,25 см⁻¹ в режиме быстрого сканирования. Рис. 5a показывает мощность-ток (P-I) характеристики в импульсном режиме при частоте драйвера 2 кГц и скважности 0,2%. Для устройства с прямым концом, подключенным к Тальбо-полости, получена суммарная пиковая мощность 1,3 Вт при 298 К с пороговой плотностью тока 3,7 кА/см² и наклонной эффективностью 0,6 Вт/А, что соответствует 1,6 Вт выходной мощности с пороговой плотностью тока 3,4 кА/см² и наклонной эффективностью 0,65 Вт/А для массива с коническим концом (синяя и фиолетовая линии). В качестве контраста, одиночный лазер 2-мм × 10-ммм показывает максимальную пиковую мощность 0,41 Вт, пороговую плотность тока 3 кА/см² и наклонную эффективность 1 Вт/А. Выходная мощность массивов с фундаментальной работой в три раза превосходит одиночный излучатель. Для краткости результаты тестирования трех устройств суммированы в Таблице 1. Средняя выходная мощность на элемент составляет ~63% от одиночного излучателя, что выше, чем в работе [19]. Работа [26] сообщает о фазово-синхронизированном QCL массиве с внутриполостным Тальбо-фильтром со средней мощностью отдельного элемента 43% от одиночного излучателя. Низкая эффективность там обусловлена дополнительными оптическими потерями в двух круговых стыках из-за мокрого травления. Работа [27] описывает шестиэлементное устройство с интегрированной Тальбо-полостью с пятикратной выходной мощностью одиночного излучателя при коэффициенте связи ~83%. Меньшая эффективность наших устройств, скорее всего, вызвана более сильными краевыми дифракционными потерями в Тальбо-полости и мокрым травлением. Дальнейшие работы должны использовать сухое травление и увеличить длину конической зоны для дальнейшего масштабирования мощности. Вставка на рис. 4a показывает спектр генерации фазово-синхронизированных массивов при комнатной температуре и 1,3 I_th. Центральная длина волны измерена 4,8 мкм с мультимодовой природой из-за отсутствия механизма продольной моды. Одномодовый спектр можно получить внедрением распределенной обратной связи (DFB) решетки на верхнем клэддинге. Тепловые характеристики широких QCL и QCL массивов моделировали в COMSOL. Фиксированная ширина гребенки 10 мкм, интервалы между элементами массива менялись от 0 до 20 мкм шагом 5 мкм. Рис. 5b показывает температуру активной области в зависимости от интервала элементов массива. Температура активной области в широкогребенковом устройстве примерно на 20 K выше, чем в Тальбо-полостном устройстве.

Заключение

Мы продемонстрировали конические QCL массивы, интегрированные с Тальбо-полостями у прямого и конического концов соответственно. Устройства с Тальбо-полостью, интегрированной у прямого конца, показывают дальние полевые картины фундаментального режима с D.L. расходимостью 2,7° при длине волны 4,8 мкм. Получена выходная мощность 1,3 Вт для массива с прямым концом с наклонной эффективностью 0,6 Вт/А. Поскольку Тальбо-полостной фазово-синхронизированный массив не требует очень близкого расстояния связи, накопление тепла ниже, чем в эванесцентно-связанных массивах. Такие устройства перспективны для высокосветлых QCL массивов с высоким циклом работы и D.L. расходимостью. Будущие работы должны фокусироваться на выборе подходящей ширины гребенки элемента массива и интервала, использовании зарытых волноводов и тепловом управлении с микроимпинджмент-охладителями. Кроме того, уменьшение числа каскадов активной области внесет большой вклад в высокий цикл работы высокосветлых QCL.

Аббревиатуры

AR:

Активная область

CW:

Непрерывная волна

D.L.:

Дифракционно-ограниченный

DFB:

Распределенная обратная связь

FWHM:

Половина ширины на полувысоте

I_th:

Пороговый ток

MBE:

Молекулярно-лучевая эпитаксия

MCT:

Ртуть-кадмий-теллурид

MOVPE:

Металло-органическая паровая фазная эпитаксия

PECVD:

Плазмо-усиленное химическое осаждение из паровой фазы

P-I:

Мощность-ток

QCL:

Квантово-каскадный лазер

WPE:

Коэффициент полезного действия