Substratemittierende DFB-Quantenkaskadenlaser mit geringem Stromverbrauch

Hintergrund

In den letzten Jahren haben sich Quantenkaskadenlaser (QCLs) rasant entwickelt und sind zur vielversprechendsten Quelle im mittleren Infrarot-Frequenzbereich geworden [1,2,3]. Aufgrund ihrer hohen Leistung, ihres Singlemode-Betriebs und ihrer kompakten Größe werden Distributed-Feedback-(DFB)-QCLs in vielen Anwendungen wie Spurengassensorik, Freiraumkommunikation und Substanzanalyse weit verbreitet eingesetzt [4,5,6]. Der verbleibende Nachteil von QCLs ist jedoch ihre hohe elektrische Verlustleistung, die ihre Anwendung in einigen tragbaren und hochintegrierten Systemen eingeschränkt hat. Um die Verlustleistung zu verringern, besteht die einfachste Methode darin, die Geometriegröße des Bauelements zu verringern, wie z. B. die Kavität zu verkürzen und den Grat zu verengen. Eine Beschichtung mit hohem Reflexionsvermögen (HR) ist auch sehr effektiv, um den Spiegelverlust zu reduzieren. Es wurden einige Studien durchgeführt, um die Schwellenverlustleistung von Fabry-Perot (FP) QCLs zu reduzieren, indem eine kurze Kavität verwendet und eine HR-Beschichtung [7] oder eine partielle Hochreflexionsbeschichtung (PHR) auf den Facetten [8] abgeschieden wurde, wobei die Verlustleistungen von nur 1,2 W bei 22 °C und 0,83 W bei 25 °C wurden von AC Richard et al. bzw. Y. Bai et al. Diese Methoden könnten auch auf DFB-Geräte angewendet werden. 2014 haben Ryan M. Briggs et al. berichteten über einen Singlemode-DFB-QCL, der bei 4,8 μm emittiert, mit einer CW-Schwellenleistungsaufnahme von 0,76 W und einer maximalen optischen Leistung von etwa 17 mW bei 20 °C [9]. 2015 haben A. Bismuto et al. demonstrierten Singlemode-DFB-QCLs mit kurzer Kavität und schmaler Kante, die bei 4,5 μm emittieren, mit einer CW-Schwellenverlustleistung von nur 0,5 W bei 20 °C [10]. Die maximale optische Leistung beträgt etwa 150 mW; die eingespeiste elektrische Leistung beträgt jedoch mehr als 6 W. Andere Methoden wie Dotierungsoptimierung und aktive Struktur mit niedriger Periode wurden ebenfalls untersucht [7, 11]. Bei kantenemittierenden QCLs wird üblicherweise eine HR-Beschichtung auf der hinteren Facette aufgebracht und die vordere Facette unbeschichtet oder PHR-beschichtet belassen, um den Spiegelverlust zu reduzieren und gleichzeitig die von der vorderen Facette emittierte optische Leistung beizubehalten. Stattdessen können beide Facetten HR-beschichtet werden, um das Substrat zu emittieren, um den Spiegelverlust weiter zu verringern, da das Licht vom Substrat statt von der vorderen Facette emittiert wird. Außerdem sind von substratemittierenden QCLs verbesserte Fernfeldverteilungen zu erwarten [12, 13]. Gemäß unserer jüngsten Arbeit wurde ein substratemittierendes DFB-QCL mit einer niedrigen Verlustleistung von 1,27 W bei 20 °C durch Abscheiden einer HR-Beschichtung auf beiden Facetten erhalten [14]. Die aktive Region in Ref [14] besteht aus 40 Übergitterperioden und die Schwellenspannung beträgt etwa 13 V. Eine niedrigere Schwellenspannung und somit eine niedrigere Schwellenverlustleistung kann erwartet werden, wenn die Periodenzahl der aktiven Region verringert wird. Die Resonatorlänge von 1 mm könnte auch durch geeignetes Design des vergrabenen Gitters zweiter Ordnung weiter verkürzt werden, um die Schwellenverlustleistung zu verringern.

In der vorliegenden Arbeit wurde ein substratemittierendes DFB-QCL mit extrem niedrigem Stromverbrauch entwickelt. Die Schwellenverlustleistung im CW-Modus beträgt nur 0,4 W bei 15 °C und 0,43 W bei 25 °C, indem die Kavitätenlänge auf 0,5 mm verkürzt und eine HR-Beschichtung auf beiden Facetten aufgebracht wird. Die maximale optische Leistung im CW-Modus beträgt 2,4 mW bei 25 °C, was für Spektroskopieanwendungen ausreichend ist. Die Single-Mode-Emission wurde durch die Verwendung eines vergrabenen Gitters zweiter Ordnung erreicht. Die Divergenzwinkel betragen 22,5 ^o und 1,94 ^o volle Breite bei halbem Maximum (FWHM) in der Breitenrichtung des Stegs bzw. in der Richtung der Länge des Hohlraums. Die Doppelkeulen-Fernfeldverteilung in Resonatorlängenrichtung zeigt an, dass ein antisymmetrischer Modus bevorzugt wird. Diese Geräte können im CW-Modus ohne Mode-Hop in einem weiten Temperaturbereich von 15 bis 105 °C betrieben werden und eignen sich sehr gut für hochintegrierte tragbare Anwendungen.

Methoden

Die aktive Region des Geräts basierte auf einem dehnungskompensierten Zwei-Phonon-Resonanzdesign, das bei ~ 4,6 μm emittiert. Der Wafer wurde auf einem n-dotierten (Si, 2 × 10 ¹⁷ cm ^− 3 ) InP-Substrat durch Molekularstrahlepitaxie (MBE). Dreißig Stufen von In_0.67 Ga_0.33 As/In_0,36 Al_0,64 Da Quantentöpfe und Barrieren in den aktiven Kern aufgenommen wurden, der ähnlich wie in Ref. [15] Die gesamte Schichtfolge war wie folgt:1,2 μm dicke untere Mantelschicht (Si, 2,2 × 10 ¹⁶ cm ^− 3 ), 0,3 µm dickes n-In_0,53 Ga_0,47 Als Schicht (Si, 4 × 10 ¹⁶ cm ^− 3 ), 30 Aktiv-/Injektorstufen, 0,3 µm dickes n-In_0,53 Ga_0,47 Als Schicht (Si, 4 × 10 ¹⁶ cm ^− 3 ) und Top-Waveguide-Cladding-Player. Um das vergrabene Gitter herzustellen, wurde die obere Wellenleiter-Mantelschicht bis zur oberen InGaAs-Schicht entfernt. Das Gitter zweiter Ordnung mit einer Periode von Λ = 1,42 μm (Arbeitszyklus σ = 0,45, Tiefe d = 130 nm) wurde auf der 0,3 μm dicken oberen InGaAs-Schicht durch holografische Lithografietechnologie und nasschemisches Ätzen definiert. Abbildung 1a zeigt das Rasterelektronenmikroskop (REM)-Bild des vergrabenen Gitters zweiter Ordnung. Danach wird eine 3 µm dicke niedrig dotierte InP-Schicht (Si, 2,2 × 10 ¹⁶ cm ^− 3 ) gefolgt von einer 0,15 μm dicken, allmählich dotierten InP-Schicht (Si, ab 1 × 10 ¹⁷ bis 3 × 10 ¹⁷ cm ^− 3 ) und eine 0,4-μm-hochdotierte InP-Mantelschicht (Si, 5 × 10 ¹⁸ cm ^− 3 ) wurden nacheinander als obere Umhüllung durch metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE) erreicht.

a Das REM-Bild des vergrabenen Gitters und b der simulierte Kopplungskoeffizient und die Kopplungsstärke des vergrabenen Gitters zweiter Ordnung mit COMSOL

Nach der Implementierung des Nachwachsens wurde der Wafer in eine Doppelkanal-Wellenleiterstruktur mit einer durchschnittlichen Kernbreite von 7 μm geätzt. Dann ein 450 nm dickes SiO₂ wurde durch plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) zur Isolierung abgeschieden. Auf SiO₂ . wurde ein 2 µm breites Elektroneninjektionsfenster strukturiert Schicht des Stegs, und der elektrische Kontakt wurde durch eine Ti/Au-Schicht bereitgestellt. Zur besseren Wärmeableitung wurde zusätzlich eine 4 µm dicke Au-Schicht galvanisiert. Vor dem eigentlichen Spalten wurden massive Simulationen für den Entwurf des vergrabenen Gitters zweiter Ordnung mit einer Finite-Elemente-Methodensoftware (COMSOL) durchgeführt, die ähnlich zu Ref. war. [16] Nach dem Dünnen auf 150 μm wurde der Wellenleiter in 0,5- und 1-mm-lange Bauelemente gespalten, was einer Kopplungsstärke von 0,54 ~ 1,77 bzw. 1,08 ~ 3,55 entsprach. Dann wurden beide Facetten dieser Vorrichtungen durch Elektronenstrahlverdampfung HR-beschichtet. Die HR-Beschichtung bestand aus Al₂ O₃ /Ti/Au/Al₂ O₃ (200/10/100/120). Die Bauelemente wurden mit Indium-Lot auf Kupfer-Kühlkörpern epischichtig montiert und dann an ein externes Kontaktpad drahtgebondet.

Die Gerätetests wurden auf einer thermoelektrischen Kühlerstufe (TEC) mit einem Thermistor durchgeführt, der die Temperatur des Kühlkörpers regelt und überwacht. Die Ausgangsleistung des QCL wurde mit einem kalibrierten Thermopile-Detektor (Coherent, EMP1000) gemessen, der direkt vor dem Gerät mit einer die Laseremission sammelnden Metallröhre angebracht wurde. Dann wurde das Gerät auf einen schrittmotorgesteuerten Drehtisch mit einer Auflösung von 0,01 ^o . gestellt für den Fernfeldverteilungstest und ein HgCdTe-Detektor bei Raumtemperatur (Vigo, PVMI-10.6) wurde mit einem Abstand von 30 cm vor den Laser gestellt, um die Strahlung zu detektieren. Die Spektrenmessung wurde mit einem Fourier-Transform-Infrarot-(FTIR)-Spektrometer (Thermo Fisher Scientific, Nicolet 8700) mit einer Auflösung von 0,25 cm ^− 1 . durchgeführt im Schnellscanmodus.

Ergebnisse und Diskussion

Das COMSOL-Simulationsergebnis ist als Abb. 1b dargestellt. Gemäß der Berechnung ist ein Kopplungskoeffizient von |κ| = 35,5 ~ 10,75 cm ^− 1 erhält man für das vergrabene Gitter mit einem Tastverhältnis von 0,35 ~ 0,45 und einer Ätztiefe von 180 nm. Die Kopplungsstärke g = |κ|L , wobei L ist die Kavitätenlänge der QCL. Um eine effiziente Oberflächenemission zu erreichen, ist immer die Kopplungsstärke von 1–2 erforderlich. Für ein Gerät mit 1 und 0,5 mm Hohlraumlänge liegt die simulierte Kopplungsstärke im Bereich von 3,55 ~ 1,07 und 1,78 ~ 0,54, wenn das Tastverhältnis 0,35 ~ 0,45 beträgt. Daher ist das Design des vergrabenen Gitters für Geräte mit kurzer Resonatorlänge sehr wichtig.

Von besonderem Interesse ist die elektrische Charakterisierung. Die Lichtstrom-Spannung (L-I-V) Die Kurve der Geräte mit unterschiedlicher Resonatorlänge ist in Abb. 2 dargestellt. Die Laser arbeiteten im CW-Modus und die Kühlkörpertemperatur wurde durch einen Temperaturregler (Thorlabs, ITC-QCL-4000) geregelt. Wie in Abb. 2a gezeigt, weist das Gerät mit 1 mm langem Hohlraum einen Schwellenstrom von 65 mA bei 25 °C auf, was einer Schwellenstromdichte von 0,54 kA/cm ^– 2 . entspricht und Verlustleistung von 0,67 W. Die maximale optische Leistung beträgt 8,6 mW bei einer eingespeisten elektrischen Leistung von 1,66 W und die Steigungseffizienz beträgt 0,11 W/A. Bei einer hohen Temperatur von 65 °C beträgt die maximale optische Leistung immer noch mehr als 5 mW. Bei einem Bauelement mit einer Hohlraumlänge von 0,5 mm werden der Schwellenstrom und die Verlustleistung auf 39 mA und 0,4 W bei 15 °C verringert, wie in Abb. 2b gezeigt. Die Schwellenstromdichte beträgt 0,65 kA/cm ^− 2 . Die maximale optische Leistung von 2,8 mW wird abgeleitet, wenn die eingespeiste elektrische Leistung 0,74 W beträgt. Bei 25 °C wird der Schwellenstrom leicht auf 41 mA erhöht, was einer Leistungsaufnahme von 0,43 W entspricht. Dies ist unseres Wissens nach die niedrigste Schwellenleistungsaufnahme von QCLs bei derselben Temperatur. Die maximale optische Leistung dieses Geräts beträgt 2,4 mW bei einer Verlustleistung von 0,76 W, was für einige hochintegrierte Sensoranwendungen sehr geeignet ist. Bei 35 °C beträgt die maximale optische Leistung etwa 1,9 mW. Dieses Gerät kann im CW-Modus bei Temperaturen von bis zu 105 °C betrieben werden, aber die Ausgangsleistung wird klein und es ist zu schwierig, sie genau zu erkennen. Im Vergleich zu den vorherigen Arbeiten in Ref [9,10,11] ist die maximale optische Leistung unseres Designs aufgrund der geringen Steckdoseneffizienz des Geräts nicht bemerkenswert. Dies ist von Natur aus durch die Qualität des Epitaxiewafers begrenzt. Außerdem beträgt die maximale Dübeleffizienz eines Geräts mit einer Hohlraumlänge von 0,5 mm bei Raumtemperatur 0,32 %, weniger als die eines Geräts mit einer Hohlraumlänge von 1 mm, d. h. 0,5 %.

Die L-I-V-Eigenschaften des 1 mm (a ) und 0,5 mm (b ) Geräte

Die Spektrencharakterisierung der Laser ist in Abb. 3 dargestellt. Sowohl die 1- als auch die 0,5-mm-Bausteine ​​können im CW-Modus ohne Modensprung in einem weiten Temperaturbereich von 15 bis 105 °C betrieben werden. Dies ist die höchste Arbeitstemperatur aller QCLs mit niedrigem Stromverbrauch. Diese hohe Arbeitstemperatur wird hauptsächlich durch den geringeren Spiegelverlust durch die HR-Beschichtung der Facetten begünstigt. Der Temperaturverschiebungskoeffizient beträgt − 0,21 cm ^− 1 /K und − 0,19 cm ^− 1 /K bzw. Es gibt einen kleinen Unterschied zwischen den Spektrenbereichen der beiden Vorrichtungen im gleichen Temperaturbereich, der wahrscheinlich durch die ungleichmäßige Lithographie und den Ätzprozess des Gitters verursacht wird. Das Seitenmodus-Unterdrückungsverhältnis (SMSR) des Geräts beträgt etwa 25 dB. Die gute lineare Abstimmfähigkeit, der Singlemode und die hohe Betriebstemperatur dieser Geräte machen sie in einigen realen Anwendungen wie der Spurengasmessung sehr nützlich.

Die Laserspektren des a 0,5 und b Gerät mit 1 mm Hohlraumlänge

Die Fernfeldverteilung eines 0,5 mm-Geräts ist in Abb. 4 dargestellt. In Rippenbreitenrichtung ein Einzelkeulenmuster mit einem Divergenzwinkel von 22,5 ^o (FWHM) beobachtet, wie in Abb. 4a gezeigt. Abbildung 4b zeigt das Fernfeldmuster in Richtung der Kavitätslänge. Das Fernfeldmuster weist darauf hin, dass ein antisymmetrischer Modus bevorzugt wird, der durch die Ungleichmäßigkeiten der handgemachten Spaltung und Restfacettenreflexionen verursacht wird [16]. Ein symmetrischer Modus kann durch die Verwendung eines verteilten Bragg-Reflektor-(DBR)-Gitters auf beiden Seiten des DFB-Gitterbereichs erreicht werden, um die unkontrollierten gespaltenen Facettenreflexionen zu eliminieren [17].

Die Fernfeldverteilung eines Geräts mit einer Resonatorlänge von 0,5 mm. a , b Die Fernfeldverteilungen in Ridge-Breite- bzw. Hohlraum-Längenrichtung

Schlussfolgerungen

Wir haben einen substratemittierenden DFB-QCL mit einer extrem niedrigen Verlustleistung von 0,43 W bei 25 °C im CW-Modus entwickelt, indem wir die Kavitätenlänge auf 0,5 mm verkürzt und eine HR-Beschichtung auf beiden Facetten abgeschieden haben. Seine maximale optische Leistung betrug 2,4 mW und die entsprechende Verlustleistung betrug 0,76 W. Eine Single-Mode-Emission ohne Modensprung wurde innerhalb eines weiten Temperaturbereichs von 15 bis 105 °C erhalten, indem ein vergrabenes DFB-Gitter zweiter Ordnung definiert wurde. Die Divergenzwinkel betragen 22,5 ^o und 1,94 ^o in der Rippenbreitenrichtung bzw. in der Hohlraumlängsrichtung. Der geringe Verbrauch des Geräts könnte es zu einer vielversprechenden Lichtquelle in einigen batteriebetriebenen tragbaren Systemen machen.

Abkürzungen

KW:

Dauerwelle

DFB:

Verteiltes Feedback

FP:

Fabry-Perot

FTIR:

Fourier-Transformations-Infrarot

FWHM:

Volle Breite auf halbem Maximum

Personal:

Hohes Reflexionsvermögen

MBE:

Molekularstrahlepitaxie

MOVPE:

Metall-organische Gasphasenepitaxie

PECVD:

Plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung

PHR:

Teilweise hohe Reflektivität

QCL:

Quantenkaskadenlaser

SEM:

Rasterelektronenmikroskop

SMSR:

Seitenmodus-Unterdrückungsverhältnis

TEC:

Thermoelektrische Kühlbox