Необычные коротковолновые скачки мод в высокомощных квантовых каскадных лазерах с распределенным брагговским отражателем

Аннотация

Мы сообщаем о неожиданных коротковолновых скачках мод в квантовых каскадных лазерах (QCL) с распределенным брагговским отражателем (DBR), излучающих около 7,6 мкм. Двухсекционные приборы — с активной и непросоченной брагговской секциями — выдают >0,6 Вт непрерывной мощности при комнатной температуре. Вопреки обычному длинноволновому дрейфу с ростом температуры или тока впрыска, лазерная мода иногда перескакивает на более короткую длину волны. Модальный анализ показывает, что температурно-индуцированные изменения показателя преломления сдвигают продольные моды быстрее, чем брагговский пик, что приводит к наблюдаемым переходам.

Введение

Квантовые каскадные лазеры отличаются от обычных полупроводниковых лазеров работой на межсубзонных переходах в зоне проводимости, что позволяет излучение в среднем и дальнем ИК. Их широкий спектральный охват делает их незаменимыми для газового сенсирования, высокоразрешающей спектроскопии и промышленного мониторинга. Однако многие приложения требуют узкой полосы и высокой выходной мощности. QCL с распределенной обратной связью (DFB) и с внешней резонатором (EC) обычно обеспечивают одномодовую работу, но ограничены ~100 мВт мощности и узким диапазоном настройки. QCL с DBR предлагает компактную платформу для высокомощного одномодового излучения, однако детальное спектральное поведение было недостаточно изучено. Здесь мы представляем DBR QCL и детально исследуем аномальные скачки мод.

Методы

DBR-решетка формировалась методом двухлучевой голографической интерферометрии. Прибор состоит из активной секции (L_G), DBR-секции (L_DBR) и токоизолирующего канавки. Активная область QCL выращена на n-InP методом МЛЭ (MBE) с 50 натяжением скомпенсированных квантовыми ямами In_0,58Ga_0,42As/In_0,47Al_0,53As (последовательность толщин приведена в источнике). Слой SiO₂ толщиной 100 нм осаждался над верхним слоем замыкания; DBR-область травлялась на глубину ~130 нм, затем SiO₂ удаляли. Верхний волновод переращивали МОВПЭ (MOVPE), получая 3 мкм верхнюю InP-заградительную обкладку, 0,15 мкм градиентно-легированный InP-слой и 0,85 мкм сильно легированный InP-контактный слой. Вуфер обрабатывали в двухканальный гребневидный волновод (ширина ядра ≈10 мкм) с полупроводящим InP:Fe для тепловой и электрической изоляции. Токоизолирующая канавка шириной 200 мкм (глубина 1,1 мкм) разделяла активную и DBR-секции. После изоляции SiO₂ осаждали Ti/Au контакты и гальванически наращивали 5 мкм Au для теплоотвода. Приборы (длина 6 мм) расщепляли на участки: 4,3 мм активная, 1,5 мм DBR, 0,2 мм изоляция, затем припаивали эпитаксиальной стороной вниз на алмазный термостат и медную подложку.

Результаты и обсуждение

Эмиссионные спектры регистрировали Фурье‑трансформенным ИК-спектрометром (разрешение 0,125 см⁻¹). Вольт-амперные и световые характеристики измеряли калиброванным термопилом. Лазер монтировали на холдере с термистором и термоэлектрическим охладителем для контроля температуры подложки. Рис. 2a показывает CW-спектры при 1,005 I_th при изменении температуры термостата от 20 °C до 70 °C шагом 2 °C. Вставка на рис. 2b изображает спектр при 24 °C в логарифмической шкале, раскрывая отношение подавления боковых мод (SMSR) ≈25 дБ. В отличие от обычных DFB QCL, которые смещаются к длинным волнам линейно с температурой или током, наши DBR-устройства демонстрируют аномальные коротковолновые скачки мод при нагреве. Для объяснения мы проанализировали механизм выбора моды. Рис. 3a демонстрирует измеренную полосу усиления вэфера и рассчитанный профиль брагговского отражения (отражательная способность 98 % для 1,5‑мм решетки). Схема на рис. 3b показывает, как сдвигаются полоса усиления, брагговский пик и продольные моды с температурой. Пик усиления сдвигается со скоростью −0,581 см⁻¹ K⁻¹, брагговский пик — −0,128 см⁻¹ K⁻¹. Поскольку брагговский пик остается на коротковолновой стороне от полосы усиления, продольные моды, следующие за изменением показателя преломления, в конечном счете движутся быстрее брагговского пика, заставляя совершить скачок к следующей доступной продольной моде. Это объясняет наблюдаемые аномальные скачки. Промежуток продольных мод рассчитали из эффективной длины резонатора: L_eff = (1/2κ) tanh(κL_DBR), где κ = (1/Λ)(Δn̄/n̄). Для физического DBR 1,5 мм L_eff ≈0,291 мм, давая теоретический промежуток 0,328 см⁻¹, в отличном согласии с экспериментальными интервалами 0,12 см⁻¹. Рис. 5 иллюстрирует ту же феноменологию при увеличении тока впрыска. Первый аномальный скачок охватывает 0,904 см⁻¹ (перепрыгивая три моды), за ним следует скачок 0,301 см⁻¹. Вольт-амперная характеристика показывает явные разрывы при каждом скачке, поведение, отсутствующее в стандартных DFB QCL. Рис. 6 сравнивает DBR-лазер с 4‑мм лазером Фабри‑Перо (FP). FP достигает 987 мВт, тогда как DBR выдает 656 мВт при 20 °C и 235 мВт при 70 °C — наивысшая заявленная одномодовая мощность для длинноволновых ИК QCL. Моделирование распределения оптического поля (рис. 6b) показывает, что DBR поддерживает высокую интенсивность в активной секции, быстро затухая в DBR, что позволяет работать с длинным резонатором без излишней связи — преимущество перед DFB-лазерами.

Заключение

Мы продемонстрировали высокомощные DBR QCL с выходной мощностью >0,6 Вт в CW-режиме при комнатной температуре. Детальный анализ аномальных коротковолновых скачков мод дает представление о динамике выбора моды в DBR-устройствах. Архитектура DBR позволяет реализовать длинный резонатор с одномодовой работой и превосходным извлечением мощности, что делает ее перспективной платформой для высокомощных лазеров среднего ИК-диапазона.

Доступность данных и материалов

Все данные полностью доступны без ограничений.

Аббревиатуры

CW

Непрерывное излучение (Continuous wave)

DBR

Распределенный браггский отражатель (Distributed Bragg reflector)

DFB

Распределенная обратная связь (Distributed feedback)

EC

Внешний резонатор (External cavity)

FP

Фабри‑Перо (Fabry–Perot)

MBE

Молекулярно-лучевая эпитаксия (Molecular beam epitaxy)

MOVPE

Металлоорганическая паровая фазная эпитаксия (Metal‑organic vapor phase epitaxy)

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)