Ultra-niedrig-leistungs Substrat-emittierender DFB-Quantenkaskadenlaser: 0,43 W Schwellenwert bei 25 °C

Zusammenfassung

In der vorliegenden Arbeit wurde ein ultra-niedrig-leistungs Substrat-emittierender Distributed-Feedback (DFB) Quantenkaskadenlaser (QCL) entwickelt. Die Continuous-Wave (CW) Schwellenleistungsdissipation wird auf 0,43 W bei 25 °C reduziert, indem die Kavitätenlänge auf 0,5 mm verkürzt und Hochreflexionsbeschichtung (HR) auf beiden Facetten aufgebracht wird. Soweit uns bekannt, ist dies der niedrigste aufgezeichnete Schwellenleistungsverbrauch von QCLs unter gleichen Bedingungen. Einmoden-Emission wurde durch Einsatz eines vergrabenen Zweitordnungs-Gitters erreicht. Modenhopf-freie Emission kann in einem weiten Temperaturbereich von 15 bis 105 °C im CW-Modus beobachtet werden. Die Divergenzwinkel betragen 22,5° und 1,94° in Ridge-Breiten- und Kavitätenlängen-Richtung. Die maximale optische Leistung im CW-Betrieb betrug 2,4 mW bei 25 °C, was für Spektroskopie-Anwendungen ausreicht.

Hintergrund

In jüngsten Jahren haben Quantenkaskadenlaser (QCLs) rasante Entwicklung durchlaufen und sind zur vielversprechendsten Quelle im Mittel-Infrarot-Frequenzbereich geworden [1,2,3]. Profitierend von hoher Leistung, Einmoden-Betrieb und kompakter Größe werden DFB-QCLs weit in Anwendungen wie Spurengassensorik, Freiraumkommunikation und Substanzanalyse eingesetzt [4,5,6]. Der verbleibende Nachteil von QCLs ist jedoch ihre hohe elektrische Leistungsdissipation, die ihre Anwendung in einigen portablen und hochintegrierten Systemen limitiert. Um Leistungsdissipation zu verringern, ist der direkteste Weg, die Geometriegröße des Geräts zu reduzieren, wie Kavitätsverkürzung und Ridge-Verschmälerung. Hochreflexionsbeschichtung (HR) ist auch sehr effektiv zur Reduktion von Spiegelverlusten. Einige Studien wurden durchgeführt, um Schwellenleistungsdissipation von Fabry-Perot (FP) QCLs durch kurze Kavität und HR-Beschichtung [7] oder partielle Hochreflexionsbeschichtung (PHR) auf Facetten [8] zu reduzieren, wobei dissipierte Leistung von 1,2 W bei 22 °C und 0,83 W bei 25 °C durch A. C. Richard et al. und Y. Bai et al. demonstriert wurden. Diese Methoden könnten auch auf DFB-Geräte angewendet werden. 2014 berichtete Ryan M. Briggs et al. einen Einmoden-DFB-QCL emittierend bei 4,8 µm mit CW-Schwellenleistungsverbrauch von 0,76 W und maximaler optischer Leistung von ~17 mW bei 20 °C [9]. 2015 demonstrierte A. Bismuto et al. kurze Kavität, schmale Ridge Einmoden-DFB-QCLs emittierend bei 4,5 µm mit CW-Schwellendissipierter Leistung von 0,5 W bei 20 °C [10]. Die maximale optische Leistung beträgt ~150 mW; jedoch ist der injizierte elektrische Strom über 6 W. Andere Methoden wie Dotierungsoptimierung und niedrig-Perioden-aktive Struktur wurden ebenfalls untersucht [7, 11]. Für Kanten-emittierende QCLs wird HR-Beschichtung üblicherweise auf Rückfacetten aufgebracht und Vorderfacetten unbeschichtet oder PHR-beschichtet gelassen, um Spiegelverluste zu reduzieren während optische Leistung von Vorderfacetten emittiert wird. Stattdessen können beide Facetten HR-beschichtet werden für Substrat-Emission, um Spiegelverluste weiter zu verringern, da Licht vom Substrat statt Vorderfacetten emittiert wird. Außerdem können verbesserte Fernfeldverteilungen von Substrat-emittierenden QCLs erwartet werden [12, 13]. Laut unserer jüngsten Arbeit wurde ein Substrat-emittierender DFB-QCL mit niedrigem Schwellenleistungsverbrauch von 1,27 W bei 20 °C durch HR-Beschichtung beider Facetten erzielt [14]. Die aktive Region in Ref [14] besteht aus 40 Supergitter-Perioden, und die Schwellen-Spannung beträgt ~13 V. Ein niedrigerer Schwellenwert, und somit niedrigere Schwellenleistungsdissipation, kann erwartet werden, wenn die Periodenzahl der aktiven Region verringert wird. Die Kavitätenlänge von 1 mm könnte auch weiter verkürzt werden durch richtiges Design des vergrabenen Zweitordnungs-Gitters, um Schwellenleistungsdissipation zu verringern.

In der vorliegenden Arbeit wurde ein ultra-niedrig-leistungs Substrat-emittierender DFB-QCL entwickelt. Die Schwellenleistungsdissipation im CW-Modus beträgt 0,4 W bei 15 °C und 0,43 W bei 25 °C durch Verkürzung der Kavitätenlänge auf 0,5 mm und HR-Beschichtung beider Facetten. Die maximale optische Leistung im CW-Modus ist 2,4 mW bei 25 °C, ausreichend für Spektroskopie-Anwendungen. Einmoden-Emission wurde durch vergrabenes Zweitordnungs-Gitter erreicht. Die Divergenzwinkel sind 22,5° und 1,94° Full Width at Half Maximum (FWHM) in Ridge-Breiten- und Kavitätenlängen-Richtung. Die doppelt-gelappte Fernfeldverteilung in Kavitätenlängen-Richtung deutet an, dass anti-symmetrischer Modus favorisiert wird. Diese Geräte können im CW-Modus ohne Modenhopf in weitem Temperaturbereich von 15 bis 105 °C betrieben werden und werden sehr geeignet in hochintegrierten portablen Anwendungen sein.

Methoden

Die aktive Region des Geräts basierte auf spannungskompensiertem Zwei-Phonon-Resonanz-Design emittierend bei ~4,6 µm. Der Wafer wurde auf n-dotiertem (Si, 2 × 10¹⁷ cm⁻³) InP-Substrat durch Festkörper-Molekularstrahlepitaxie (MBE) gewachsen. Dreißig Stufen von In₀.₆₇Ga₀.₃₃As/In₀.₃₆Al₀.₆₄As Quantenwellen und Barrieren waren im aktiven Kern inkludiert, ähnlich Ref. [15]. Die gesamte Schichtsequenz war: 1,2-µm-dicke untere Cladding-Schicht (Si, 2,2 × 10¹⁶ cm⁻³), 0,3-µm-dicke n-In₀.₅₃Ga₀.₄₇As-Schicht (Si, 4 × 10¹⁶ cm⁻³), 30 aktive/Injektor-Stufen, 0,3-µm-dicke n-In₀.₅₃Ga₀.₄₇As-Schicht (Si, 4 × 10¹⁶ cm⁻³), und oberer Waveguide-Cladding-Layer. Zur Fertigung des vergrabenen Gitters wurde die obere Waveguide-Cladding-Schicht bis zur oberen InGaAs-Schicht abgetragen. Das Zweitordnungs-Gitter mit Periode Λ = 1,42 µm (Duty Cycle σ = 0,45, Tiefe d = 130 nm) wurde auf der 0,3-µm-dicken oberen InGaAs-Schicht durch Holographische Lithographie und nasschemisches Ätzen definiert. Abbildung 1a zeigt das Rasterelektronenmikroskop (SEM) Bild des vergrabenen Zweitordnungs-Gitters. Danach wurden eine 3-µm-dicke niedrig-dotierte InP-Schicht (Si, 2,2 × 10¹⁶ cm⁻³), gefolgt von einer 0,15 µm graduell dotierten InP-Schicht (Si, von 1 × 10¹⁷ bis 3 × 10¹⁷ cm⁻³) und einer 0,4-µm hoch-dotierten InP-Cladding-Schicht (Si, 5 × 10¹⁸ cm⁻³) sequenziell als obere Cladding durch Metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE) abgeschieden.

Nach Implementierung des Regrowths wurde der Wafer in Doppelkanal-Waveguide-Struktur mit durchschnittlicher Kernbreite von 7 µm geätzt. Dann wurde eine 450-nm-dicke SiO₂-Schicht durch Plasma-unterstützte Chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) für Isolation abgeschieden. Ein 2-µm-breites Elektroneninjektionsfenster wurde auf SiO₂-Schicht des Ridges strukturiert, und elektrischer Kontakt durch Ti/Au-Schicht bereitgestellt. Für bessere Wärmeableitung wurde eine zusätzliche 4-µm-dicke Au-Schicht galvanisch aufgebracht. Vor eigentlichem Cleaven wurden massive Simulationen für Design des Zweitordnungs-vergrabenen Gitters mit Finite-Elemente-Methode-Software (COMSOL) durchgeführt, ähnlich Ref. [16]. Nach Dünnen auf 150 µm wurde der Waveguide zu 0,5- und 1-mm-langen Geräten geklebt, entsprechend Kopplungsstärke von 0,54 ~ 1,77 und 1,08 ~ 3,55. Dann wurden beide Facetten dieser Geräte durch E-Beam-Verdampfung HR-beschichtet. Die HR-Beschichtung bestand aus Al₂O₃/Ti/Au/Al₂O₃ (200/10/100/120). Die Geräte wurden epi-layer-down auf Kupferwärmeableiter mit Indium-Lot montiert und dann wire-bonded zu externem Kontaktpad.

Gerätetests erfolgten auf Thermoelektrischem Kühler (TEC) mit Thermistor zur Regelung und Überwachung der Wärmeableiter-Temperatur. Die Ausgangsleistung des QCL wurde durch kalibrierten Thermopile-Detektor (Coherent, EMP1000) gemessen, der direkt vor dem Gerät mit metallischem Rohr zur Lasersammlung platziert war. Dann wurde das Gerät auf motorisch gesteuerte Drehbühne mit 0,01° Auflösung für Fernfeldverteilungs-Test platziert, und ein Raumtemperatur HgCdTe-Detektor (Vigo, PVMI-10.6) wurde 30 cm vor Laser platziert zur Detektion. Spektralmessung erfolgte mit Fourier-Transform-Infrarot (FTIR) Spektrometer (Thermo Fisher Scientific, Nicolet 8700) mit 0,25 cm⁻¹ Auflösung im Rapid-Scan-Modus.

Ergebnisse und Diskussion

Das COMSOL-Simulationsergebnis ist als Abb. 1b gezeigt. Laut Berechnung wird ein Kopplungskoeffizient |κ| = 35,5 ~ 10,75 cm⁻¹ für das vergrabene Gitter mit Duty Cycle 0,35 ~ 0,45 und Ätztiefe 180 nm erzielt. Die Kopplungsstärke g = |κ|L, wobei L die Kavitätenlänge des QCL ist. Für effiziente Oberflächenemission wird Kopplungsstärke von 1-2 immer benötigt. Für Gerät mit 1 und 0,5 mm Kavitätenlänge sind simulierte Kopplungsstärken im Bereich 3,55 ~ 1,07 und 1,78 ~ 0,54 bei Duty Cycle 0,35 ~ 0,45. Daher ist Design des vergrabenen Gitters essenziell für kurze Kavitätenlänge.

Besonderes Interesse gilt der elektrischen Charakterisierung. Die Licht-Strom-Spannung (L-I-V) Kurve der Geräte mit verschiedenen Kavitätenlängen ist als Abb. 2 gezeigt. Die Laser operierten im CW-Modus und Wärmeableiter-Temperatur wurde durch Temperaturcontroller (Thorlabs, ITC-QCL-4000) reguliert. Wie in Abb. 2a gezeigt, zeigt das 1 mm lange Kavitäten-Gerät einen Schwellenstrom von 65 mA bei 25 °C, entsprechend Schwellenstromdichte von 0,54 kA/cm² und Leistungsdissipation von 0,67 W. Maximale optische Leistung ist 8,6 mW bei injiziertem elektrischem Strom von 1,66 W, und Slope Efficiency ist 0,11 W/A. Bei hoher Temperatur 65 °C ist maximale optische Leistung noch >5 mW. Für 0,5 mm Kavitätenlänge sind Schwellenstrom und Leistungsdissipation auf 39 mA und 0,4 W bei 15 °C gesunken, wie in Abb. 2b gezeigt. Schwellenstromdichte ist 0,65 kA/cm⁻². Maximale optische Leistung von 2,8 mW wird abgeleitet bei injiziertem elektrischem Strom von 0,74 W. Bei 25 °C steigt Schwellenstrom leicht auf 41 mA, entsprechend Leistungsaufnahme von 0,43 W. Soweit uns bekannt, ist dies der niedrigste Schwellenleistungsverbrauch von QCLs bei gleicher Temperatur. Maximale optische Leistung dieses Geräts ist 2,4 mW bei Leistungsdissipation von 0,76 W, sehr fähig für einige hochintegrierte Sensoranwendungen. Bei 35 °C beträgt maximale optische Leistung ~1,9 mW. Dieses Gerät kann bei Temperaturen bis 105 °C im CW-Modus betrieben werden, aber Ausgangsleistung wird klein und zu schwierig zu detektieren. Verglichen mit Vorarbeiten in Ref [9,10,11] ist maximale optische Leistung unseres Designs nicht bemerkenswert wegen niedriger Wall-Plug-Effizienz. Dies ist inhärent begrenzt durch Qualität des Epitaxie-Wafers. Außerdem ist maximale Wall-Plug-Effizienz von 0,5 mm Kavitätenlänge 0,32% bei Raumtemperatur, weniger als 1 mm Kavitätenlänge (0,5%).

Spektrale Charakterisierung der Laser ist in Abb. 3 gezeigt. Beide 1 und 0,5 mm Geräte können im CW-Modus ohne Modenhopf in weitem Temperaturbereich 15 bis 105 °C operieren. Dies ist höchste Arbeitstemperatur in allen niedrig-leistungs QCLs. Solch hohe Arbeitstemperatur profitiert hauptsächlich von reduziertem Spiegelverlust durch HR-Beschichtung auf Facetten. Temperaturshift-Koeffizient ist -0,21 cm⁻¹/K und -0,19 cm⁻¹/K. Es gibt kleinen Unterschied zwischen Spektralregimen der beiden Geräte bei gleichem Temperaturbereich, wahrscheinlich verursacht durch nicht-uniforme Lithographie und Ätzprozess des Gitters. Seitenmoden-Unterdrückungsverhältnis (SMSR) des Geräts beträgt ~25 dB. Gute lineare Abstimmfähigkeit, Einmoden und hohe Arbeitstemperatur machen diese Geräte sehr nützlich für reale Anwendungen wie Spurengassensorik.

Fernfeldverteilung eines 0,5 mm Geräts ist in Abb. 4 gezeigt. In Ridge-Breiten-Richtung wird ein einzelngelapptes Muster mit Divergenzwinkel 22,5° (FWHM) beobachtet, wie in Abb. 4a. Abbildung 4b zeigt Fernfeldmuster in Kavitätenlängen-Richtung. Das Fernfeldmuster deutet an, dass anti-symmetrischer Modus favorisiert wird, verursacht durch Nicht-Uniformitäten handgemachten Cleavens und residueller Facettenreflexionen [16]. Symmetrischer Modus kann durch Verwendung von Distributed-Bragg-Reflektor (DBR) Gitter auf beiden Seiten des DFB-Gitterbereichs erzielt werden, um unkontrollierte Facettenreflexionen zu eliminieren [17].

Schlussfolgerungen

Wir haben einen Substrat-emittierenden DFB-QCL mit ultra-niedrigem Schwellenleistungsverbrauch von 0,43 W bei 25 °C im CW-Modus entwickelt durch Verkürzung der Kavitätenlänge auf 0,5 mm und HR-Beschichtung beider Facetten. Seine maximale optische Leistung war 2,4 mW, und entsprechende Leistungsdissipation 0,76 W. Einmoden-Emission ohne Modenhopf wurde in weitem Temperaturbereich 15 bis 105 °C durch definieren eines vergrabenen Zweitordnungs-DFB-Gitters erzielt. Divergenzwinkel sind 22,5° und 1,94° in Ridge-Breiten- und Kavitätenlängen-Richtung. Der niedrig-verbrauchende Charakter des Geräts könnte es zu einer vielversprechenden Lichtquelle in batteriebetriebenen portablen Systemen machen.

Abkürzungen

CW:

Continuous wave (Dauerstrich)

DFB:

Distributed feedback (Verteiltes Feedback)

FP:

Fabry-Perot

FTIR:

Fourier-transform infrared (Fourier-Transform-Infrarot)

FWHM:

Full width at half maximum (Vollbreite bei halber Maximale)

HR:

High reflectivity (Hochreflexion)

MBE:

Molecular beam epitaxy (Molekularstrahlepitaxie)

MOVPE:

Metal-organic vapor phase epitaxy (Metallorganische Gasphasenepitaxie)

PECVD:

Plasma-enhanced chemical vapor deposition (Plasma-unterstützte CVD)

PHR:

Partial high reflectivity (Partielle Hochreflexion)

QCL:

Quantum cascade laser (Quantenkaskadenlaser)

SEM:

Scanning electron microscope (Rasterelektronenmikroskop)

SMSR:

Side-mode suppressing ratio (Seitenmoden-Unterdrückungsverhältnis)

TEC:

Thermo-electric cooler (Thermoelektrischer Kühler)