Переходы аномальных режимов в квантовых каскадных лазерах с распределенным брэгговским отражателем большой мощности

Введение

Квантово-каскадные лазеры (ККЛ) отличаются от фундаментальных полупроводниковых лазеров, они представляют собой разновидность унипольного полупроводникового лазера, а именно электронные переходы только между состояниями зоны проводимости [1]. Он привлек большое внимание благодаря своим основным характеристикам - большой длине волны, охватывающей диапазон от среднего / дальнего инфракрасного до терагерцового диапазона волн с момента его первой демонстрации в эксперименте. Такой широкий диапазон волн может удовлетворить растущие потребности приложений в области обнаружения газов, спектроскопии высокого разрешения и мониторинга промышленных процессов. Однако в некоторых приложениях требуются узкая ширина линии и высокая выходная мощность. ККЛ с распределенной обратной связью (DFB) и QCL с внешним резонатором (EC) являются двумя распространенными способами достижения одномодового излучения [2, 3]. Выходная мощность DFB QCL составляет порядка 100 милливатт, а диапазон настройки невелик, около 5 см ^-1 . , который подходит для обнаружения единичного газа [4,5,6]. ЭК ККЛ являются лучшими кандидатами для обнаружения нескольких видов газа, потому что они имеют гораздо более широкий диапазон настройки [7]. Однако в некоторых приложениях, таких как обнаружение расстояния или дистанционное зондирование, желателен одномодовый источник света высокой мощности. Для этих приложений QCL с распределенным брэгговским отражателем (DBR) может быть лучшим кандидатом в качестве компактного и высокомощного лазерного источника. Лазеры на РБО изучались достаточно много в ближней инфракрасной области волн [8,9,10], но его исследования на ККЛ меньше, в 2011 году было сообщено о небольшом количестве для широкой настройки [11], в 2014 году для большой мощности [12]. Однако детальное изучение спектральных свойств в этих отчетах не проводилось. Кроме того, подобные аномальные скачки мод были проанализированы в полупроводниковых лазерах с РБО в ближнем инфракрасном (ИК) диапазоне [9, 10]. Однако в устройстве QCL его по-прежнему нет. Учитывая, что спектральные свойства одномодовых ККЛ важны для практических приложений, любые аномальные и неизученные свойства следует тщательно изучать и накапливать. Здесь мы демонстрируем ККЛ РБО и подробно исследуем их спектральные свойства.

Методы

Решетка РБО определялась методом традиционной двухлучевой голографической интерферометрии. Конструкция спроектированного устройства показана на рис. 1. Секция усиления и секция DBR были разделены канавкой для изоляции тока, и только секция усиления имеет инжекцию тока. Структура ККЛ была выращена на подложке из InP, легированной n, методом молекулярно-лучевой эпитаксии с твердотельными источниками (МБЭ) со структурой активной области, аналогичной [5]. [13]. Представленная в данной работе структура активной зоны содержит 50 периодов с компенсацией деформации In _0,58 Ga _0,42 Как / В _0,47 Al _0,53 Как квантовые ямы. Конкретная последовательность слоев одного периода выглядит следующим образом (толщина слоя в нанометрах): 4 /1.7/0.9 /5.06/0.9 /4.7/1 /3.9/1.8 /3.2/1.7 /2.8/1.9 /2.7 /2.8 /2.6, где In _0.47 Al _0,53 Поскольку барьерные слои выделены жирным шрифтом, In _0,58 Ga _0,42 Также слои имеют римский алфавит, а слои n-легированы (1,4 × 10 ¹⁷ см ⁻³ ) выделены курсивом. Вся структура пластины до изготовления представляет собой нижний слой оболочки InP толщиной 4,5 мкм (Si, 3 × 10 ¹⁶ см ⁻³ ), 50 активных / инжекторных каскадов, n-In _0,53 толщиной 0,3 мкм Ga _0,47 В качестве верхнего ограничивающего слоя (Si, 4 × 10 ¹⁶ см ⁻³ ). SiO ₂ толщиной 100 нм слой был нанесен в верхний ограничивающий слой InGaAs на всей пластине, затем SiO ₂ участка РБО удален для изготовления решетки. После этого решетка была определена на верхнем ограничивающем слое InGaAs с использованием процесса двухлучевой голографической интерферометрии с периодом решетки 1,2 мкм, затем перенесена влажным химическим травлением на глубину около 130 нм, после чего остаточный SiO ₂ был удален. Затем верхний волновод, состоящий из верхнего слоя оболочки InP толщиной 3 мкм (Si, 2 × 10 ¹⁶ см ⁻³ ), 0,15 мкм постепенно легированный слой InP (Si, 1,5 × 10 ¹⁷ см ⁻³ ) и верхний высоколегированный контактный слой InP толщиной 0,85 мкм (Si, 5 × 10 ¹⁸ см ⁻³ ) был восстановлен методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений (MOVPE).

Схема DBR QCL, состоящего из секции усиления L _G , раздел DBR L _DBR и текущий изоляционный промежуток

После выполнения повторного роста пластина была переработана в двухканальный гребенчатый волноводный лазер со средней шириной сердцевины 10 мкм, в котором каналы были заполнены полуизолирующим InP:Fe для эффективного рассеивания тепла и электрической изоляции. Затем через верхний сильно легированный и постепенно легированный слой InP с помощью сухого травления была протравлена ​​канавка для изоляции тока длиной 200 мкм между участком усиления и участком РБО. Затем изоляционный слой SiO ₂ толщиной 450 нм. был внесен, и текущее окно инжекции было открыто в верхней части секции усиления. Впоследствии электрический контакт обеспечивался слоем Ti / Au, нанесенным электронно-лучевым испарением, а дополнительный слой золота толщиной 5 мкм был нанесен гальваническим способом для дальнейшего улучшения рассеивания тепла. После утонения до примерно 120 мкм металлический контактный слой Ge / Au / Ni / Au был нанесен на сторону подложки пластины. Наконец, пластина была разрезана на устройства длиной 6 мм, состоящие из области усиления длиной 4,3 мм, области РБО длиной 1,5 мм и канавки изоляции тока длиной 0,2 мм, и устройства были припаяны эпитаксиальным слоем вниз к пластине. алмазные радиаторы с индиевым припоем, которые впоследствии были припаяны к медным радиаторам.

Результаты и обсуждение

Спектры приборов проверялись инфракрасным спектрометром с преобразованием Фурье с разрешением 0,125 см ⁻¹ . . Вольт-амперные характеристики устройств проверялись калиброванным детектором на термобатареях. Лазер был установлен на держателе, содержащем термистор в сочетании с термоэлектрическим охладителем для контроля и регулировки температуры вспомогательной опоры. Излучаемая оптическая мощность измерялась откалиброванным детектором термобатареи, помещенным перед лазерной гранью без какой-либо коррекции.

На рисунке 2а показаны непрерывные (CW) спектры излучения DBR-лазера при различных температурах радиатора от 20 ° C до 70 ° C с шагом 2 ° C с инжекционными токами 1,005I _th . На рисунке 2b показана зависимость волнового числа от температуры лазера, а на вставке показан спектр генерации 24 ° C по логарифмической координате, где коэффициент подавления боковых мод (SMSR) составляет около 25 дБ. В обычных одномодовых DFB QCL длины волн смещаются в сторону более длинных волн линейно с увеличением температуры или тока [14, 15]. Однако, как видно из рис. 2, наблюдается аномальная перестройка со скачками мод в сторону более коротких волн при повышении температуры.

а Спектры излучения лазера меняются с температурой. б Кривая зависимости волнового числа лазера от температуры. На вставке - спектр генерации 24 ° C по логарифмической координате

Чтобы качественно объяснить возникновение аномальных скачков мод, во-первых, нам необходимо проанализировать механизм одномодового режима в устройстве DBR QCL, который четко показан на рис. 3. На рис. 3а показаны измеренная кривая усиления пластины и рассчитано отражение кривая брэгговской решетки на основе метода матрицы переноса в MATLAB, где коэффициент отражения решетки РБО длиной 1,5 мм составляет около 98%. Для облегчения понимания мы отображаем схематическую диаграмму механизма выбора мод DBR QCL, где показаны кривая усиления, кривая отражения брэгговской решетки, разрешенные продольные моды, которые удовлетворяют фазовому условию в полости DBR QCL, и даем их сдвиг. характеристики с повышением температуры далее на рис. 3б. Какая из продольных мод может быть модой генерации среди этих продольных мод? Он должен удовлетворять двум условиям:во-первых, он должен располагаться в пределах пика брэгговского отражения. Другое условие - произведение коэффициента усиления и отражательной способности должно быть максимальным [9]. Кроме того, кривая усиления, кривая отражения и спектры продольных мод смещаются в сторону большей длины волны с повышением температуры. Затем мы измерили и подогнали кривую пика усиления при изменении температуры, чтобы достичь скорости движения - 0,581 см ⁻¹ . К ^-1 . Пик брэгговского отражения с повышением температуры составляет примерно - 0,128 см ⁻¹ К ^-1 согласно нашей группе, ранее сообщенный результат в аналогичном диапазоне волн [16]. То есть пик брэгговского отражения всегда остается на стороне с более короткой длиной волны от пика усиления при повышении температуры. Движение спектров продольных мод при повышении температуры в основном объясняется модальным показателем преломления, растущим с повышением температуры, скорость движения которого аналогична скорости движения пика брэгговского отражения при повышении температуры, меньшем, чем скорость движения коэффициента усиления. вершина горы. Однако температура в области усиления немного выше, чем в области РБО из-за теплового эффекта, вызванного инжекцией носителей. В результате спектры продольных мод могут двигаться немного быстрее, чем пик Брэгга, с повышением температуры. Мы пронумеруем три продольные моды как a, b и c в пределах пика Брэгга на рис. 3b. Вначале режим a был режимом генерации, а режим a перестраивался линейно и сдвигался в сторону большей длины волны с повышением температуры. Режим генерации будет заменен на режим b, когда мода a сместится от центра кривой Брэгга и ее произведение значения усиления и отражательной способности больше не будет максимальным из-за немного более высокой скорости перемещения спектров продольных мод. Затем режим b повторял процесс режима a, и так далее. Таким образом, наблюдается явление скачков аномальной моды на рис. 2. Для проверки режима скачок выполняется между продольными модами. Затем мы рассчитали шаг продольных мод относительно всей эффективной длины резонатора устройства. Полная эффективная длина резонатора DBR QCL является суммой эффективной длины секции DBR, длины секции усиления и длины изоляционного промежутка. Эффективная длина DBR определяется тем, что фаза изменяется относительно линейно вблизи максимума отражения. Такое отражение можно хорошо аппроксимировать дискретным зеркальным отражением, равным величине отражения решетки, но расположенным на расстоянии L _eff прочь, как показано на рис. 4а. То есть функция всей решетки РБО заменяется отражающим зеркалом, которое эквивалентно пассивному волноводу. Эффективная длина РБО для длины физической решетки РБО может быть рассчитана на основе следующих уравнений [17]:

где κ - коэффициент связи решетки, а L _DBR - физическая длина решетки, \ (\ Delta \ overline {\ mathrm {n}} \) - эффективная разность показателей преломления решетки, \ (\ overline {\ mathrm {n}} \) - средний эффективный показатель преломления решетки, Λ - период решетки. На рисунке 4b показана зависимость эффективной длины области РБО от физической длины решетки РБО, что указывает на то, что эффективная длина РБО почти не изменилась, когда физическая длина решетки РБО была больше 1,5 мм. Эффективная длина РБО при длине физической решетки РБО 1,5 мм составляет около 0,291 мм. В результате теоретический интервал продольных мод составляет около 0,328 см ^-1 . . Экспериментальный интервал скачков аномальной моды составляет около 0,12 см ⁻¹ показано на рис. 2. Средняя линейная перестроечная характеристика режима генерации с температурой составляет около 0,103 см ⁻¹ . К ^-1 перед аномальными скачками в каждом режиме. Таким образом, соответствующий интервал между модами составляет 0,326 см ⁻¹ . , что почти соответствует расчетному результату 0,328 см ⁻¹ с погрешностью - 0,002 см ⁻¹ .

а Измеренная кривая усиления пластины и рассчитанная кривая отражения брэгговской решетки на основе метода матрицы переноса в MATLAB. б Принципиальная схема механизма выбора режима DBR QCL

а Принципиальная схема определения эффективного зеркала для решетки РБО. б Зависимость эффективной длины РБО от физической длины решетки

На рис. 5а показаны спектры излучения, изменяющиеся в зависимости от тока инжекции, верхняя панель рис. 5б показывает зависимость волнового числа от температуры устройства, а нижняя панель рис. 5б представляет собой непрерывную P – I-кривую лазера. Подобное явление аномальных скачков мод также наблюдается при увеличении тока инжекции на рис. 5, и очевидный разрыв наблюдается на кривой P – I, когда происходят скачки мод, что не может происходить в обычных одномодовых ККЛ с DFB, за исключением случайное переключение режима между двумя боковыми режимами полосы задерживания. Пик усиления всегда будет сдвигаться в сторону большей длины волны с увеличением тока инжекции из-за теплового эффекта. Мы измерили кривую усиления пластины, изменяющуюся с током в режиме CW, и аппроксимировали кривую пика усиления с изменением тока, чтобы получить скорость перемещения -0,021 см ⁻¹ . мА ^-1 . Поскольку окно ввода тока было открыто только поверх области усиления и наличия изоляционного промежутка, влияние перекрестных помех, вызванных вводом тока, на секцию DBR является слабым. Таким образом, кривая отражения Брэгга почти не меняется с током инжекции. Спектр продольных мод также немного сдвигается в сторону большей длины волны из-за изменения модального эффективного показателя преломления, вызванного тепловым эффектом. Следовательно, аналогичное явление скачков аномального режима наблюдается при повышении тока инжекции. Интервал скачка первого аномального режима составляет около 0,904 см ⁻¹ показан на рис. 5, где скачок моды пересекается с тремя продольными модами. Второй скачок моды - между соседними продольными модами с интервалом 0,301 см ⁻¹ . Средняя линейная перестроечная характеристика режима генерации с инжекционным током составляет около - 0,003 см ^-1 . мА ^-1 перед каждым скачком в аномальном режиме. Таким образом, соответствующий интервал между модами составляет около 0,331 см ⁻¹ . , что также почти согласуется с расчетным результатом 0,328 см ⁻¹ с погрешностью 0,003 см ⁻¹ .

а Спектр излучения меняется в зависимости от тока инжекции. б Верхняя панель показывает кривую зависимости волнового числа от температуры, а нижняя панель представляет собой кривую мощности-тока (P – I) лазера в непрерывном режиме.

На рисунке 6а показано сравнение мощности DBR-лазера и Fabry-Perot (FP) с длиной резонатора 4 мм. Максимальная выходная мощность FP- и DBR-лазера составляет 987 мВт и 656 мВт при 20 ° C соответственно. Максимальная выходная мощность DBR-лазера по-прежнему составляет 235 мВт при температуре радиатора 70 ° C, что представляет собой наивысший уровень мощности, зарегистрированный до сих пор для любых одномодовых квантово-каскадных лазеров в длинноволновом инфракрасном диапазоне спектра. Во избежание повреждений лазеры не тестировались на максимальный рабочий ток. На рисунке 6b показано распределение оптического поля лазеров DBR, FP и DFB с той же длиной резонатора 6 мм на основе метода матрицы переноса от MATLAB. Распределение оптического поля DBR-лазера указывает на то, что интенсивность света в устройстве почти постоянна в секции усиления, как в FP-лазере, в то время как она резко уменьшается в секции DBR, что свидетельствует в пользу извлечения мощности в отличие от DFB-лазера. , интенсивность света которого достигает пика в центре устройства и быстро спадает по направлению к двум торцевым граням из-за механизма избыточной связи, в результате большая часть интенсивности света ограничивается в центре устройства. Сопряженная сила DFB-лазера прямо пропорциональна длине резонатора. Таким образом, DFB-лазер не подходит для раскола устройства с большой длиной резонатора. В результате проявляется другое заметное преимущество DBR-лазера в том, что он может быть изготовлен в виде устройства с большой длиной резонатора для получения высокой выходной мощности. Таким образом, структура DBR - это своего рода потенциальный метод для достижения высокой мощности и одномодового излучения.

а Красная кривая - это непрерывная кривая мощности – вольт – напряжения (P – I – V) для DBR-лазера, черная кривая –– непрерывная кривая мощности – тока – напряжения (P – I – V) резонатора Фабри-Перо (FP). полость. б Моделирование распределения оптического поля лазеров DBR, FP и DFB с одинаковой длиной резонатора 6 мм

Выводы

Таким образом, мы продемонстрировали DBR QCL с высокой выходной мощностью. Подробно проанализированы характеристики скачков мод, где данное исследование полезно для практических приложений. Максимальная выходная мощность в непрерывном режиме составляет 656 мВт при 20 ° C для устройства с длиной области усиления 4,3 мм. Из сравнения распределения оптического поля и наших проанализированных результатов мы пришли к выводу, что DBR является потенциальным и эффективным методом для ККЛ для достижения высокой выходной мощности и одномодового излучения.

Доступность данных и материалов

Все данные полностью доступны без ограничений.

Сокращения

CW:

Непрерывная волна

DBR:

Распределенный брэгговский отражатель

DFB:

Распределенная обратная связь

EC:

Внешняя полость

FP:

Фабри-Перо

MBE:

Молекулярно-лучевая эпитаксия

MOVPE:

Эпитаксия из паровой фазы металлоорганических соединений

P – I – V:

Мощность – ток – напряжение

QCL:

Квантово-каскадный лазер

SMSR:

Коэффициент подавления боковой моды