Hochleistungs-getaperte Quantenkaskadenlaser-Arrays mit Talbot-Kavitäts-Integration

Zusammenfassung

Leistungsskalierung bei breitflächigen Quantenkaskadenlasern (QCL) führt üblicherweise zu verschlechterter Strahlqualität mit multilobigem Fernfeldmuster. In diesem Brief demonstrieren wir ein getapertes QCL-Array, das an einer Arrayseite mit einer Talbot-Kavität integriert ist. Fundamentaler Supermoden-Betrieb wird in Arrays mit geradem Ende, das an die Talbot-Kavität angebunden ist, erreicht. Das laterale Fernfeld des fundamentalen Supermodus zeigt eine beugungsbegrenzte Strahldivergenz von 2,7°. Die Ausgangsleistung eines Fünf-Elemente-Arrays ist etwa dreimal so hoch wie bei einem Einzelrippenlaser bei einer Emissionswellenlänge von ca. 4,8 µm. Arrays mit dem Taper-Ende an der Talbot-Kavität zeigen jedoch stets einen höherwertigen Supermoden-Betrieb, unabhängig von der Talbot-Kavitätslänge.

Hintergrund

Der Quantenkaskadenlaser (QCL), 1994 erfunden, ist zu einer der wichtigsten Lichtquellen im Mittel- und Ferninfrarot geworden aufgrund seiner Wellenlängenflexibilität und Portabilität. Beliebte Anwendungen umfassen Freiraum-optische Kommunikation, gerichtete Infrarot-Gegenmaßnahmen (DIRCM), Spurenstoffdetektion von Explosivstoffen, Toxinen, Schadstoffen und medizinische Tests. Einige Anwendungen fordern stets hohe Ausgangsleistung für bessere Störeffekte und Detektionsgenauigkeit. Hochleistungs-QCLs können durch Verbreiterung der aktiven Bereichsbreite erzielt werden. Eine einfache Verbreiterung der Rippe ohne Wellenleiter-Engineering oder externe Optik verschlechtert jedoch die Strahlqualität mit multilobiger Fernfeldemission. Einzelloben-Emission wurde früher durch Methoden wie photonic crystal distributed-feedback (PCDFB) QCLs, angewinkelte Kavitäts-QCLs, Master-Oszillator-Leistungsverstärker-QCLs und Breitflächen-QCLs via externer Rückkopplung erzielt. Kürzlich sind phasenverriegelte Arrays populäre Ansätze, um breitflächige QCLs mit kohärenten schmalen Strahlmustern emittieren zu lassen.

Phasenverriegelte Arrays wurden seit den 1980ern geschickt bei breitflächigen und divergzarmen Halbleiterlasern angewendet. In früheren Arbeiten wurden phasenverriegelte QCL-Arrays in Y-Verzweigungs-Arrays, resonant-leaky-wave-koppelten Arrays und evaneszenten-wellen-koppelten Arrays untersucht, wie es bei Nahinfrarot-Lasern der Fall war. Diese Strukturen bringen entweder große Verluste im Wellenleiter mit sich oder führen zu Wärmeakkumulation durch Verfolgung kurzer Nachbardistanzen zur Erlangung der Kopplung. Kürzlich wurden beugungskoppelte QCL-Arrays berichtet, die eine Seitenkavität basierend auf beugungskoppelten Talbot-Effekten integrieren. In der beugungskoppelten Struktur erfolgt die Kopplung in der Talbot-Kavität durch Beugung des Rippenendes und Reflexion an der Kavitätenfazette. Die beugungskoppelten phasenverriegelten QCL-Arrayelemente können mit großem Abstand platziert werden, was Wärmeakkumulation verringert.

Der Talbot-Effekt ist ein bekanntes optisches Phänomen, bei dem eine periodische Struktur an bestimmten regelmäßigen Abständen Selbstbilder erzeugt. Dieser Effekt wurde zur Phasenverriegelung von Lasern im Nahinfrarot genutzt, was als beugungskoppeltes Phasenverriegelungs-Array bezeichnet wird. In dieser Methode sollte ein flacher Spiegel vor der Kavitätenfazette des Laserarrays platziert werden, um optische Rückkopplung zu liefern. Der Abstand zwischen Spiegel und Arrayfazette ist die sogenannte Talbot-Distanz, definiert als

$$ {Z}_t=\frac{2n{d}^2}{\lambda } $$

wobei n der Brechungsindex des Materials, d der Mittelpunkt-zu-Mittelpunkt-Abstand des Arrays und λ die Freiraumwellenlänge ist. Die Supermoden, die in die Arraykanäle reflektiert werden, erhalten die selbstreproduzierende Oszillation. Abbildung 1 zeigt die Verteilung des fundamentalen und höherwertigen Supermodus in einer fraktionellen Talbot-Distanz. Werden die Supermoden in der Z_t/4-Position in die Arraykanäle reflektiert, werden fundamentale Supermoden-Superposition und -Betrieb extrahiert.

Verteilung des fundamentalen und höherwertigen Supermodus an fraktionellen Talbot-Ebenen. Blaue Ovale entsprechen fundamentalen Supermoden, braune Ovale höherwertigen Supermoden.

Die Ausgangsleistung von Talbot-Kavitäts-phasenverriegelten QCL-Arrays ist durch eine niedrige Koppeleffizienz zwischen Talbot-Kavität und Arraykanälen begrenzt. Um die Ausgangsleistung weiter zu steigern, sollte der Füllfaktor (Verhältnis von Rippenbreite zu Periode) erhöht werden. Eine Verbreiterung der Kanäle führt jedoch zu höhermodiger Emission der Arrayelemente. Eine Verringerung des Mittelpunkt-zu-Mittelpunkt-Abstands erhöht die Wärmeakkumulation. Die Taper-Struktur ist eine der besten Methoden, den Füllfaktor zu erhöhen, während gleichzeitig ein Fundamentalmoden-Betrieb des einzelnen Rippenelements gewährleistet wird. In diesem Brief werden Taper-Strukturen ausgenutzt und Talbot-Kavitäten jeweils an einer Seite der Taper-Strukturen integriert. Geräte mit geradem Ende, das an die Talbot-Kavität angebunden ist, zeigen einen fundamentalen Supermoden-Betrieb mit einer beugungsbegrenzten (D.L.) Fernfelddivergenz von 2,7°. Im Gegensatz dazu zeigen Geräte mit Taper-Ende an der Talbot-Kavität stets höherwertigen Supermoden-Betrieb, unabhängig von der Talbot-Kavitätslänge. Eine maximale Spitzenleistung von 1,3 W wird für Geräte mit geradem Ende an der Talbot-Kavität erzielt bei einer Schwellenstromdichte von 3,7 kA/cm² und einer Steigungswirkungsgrad von 0,6 W/A bei 298 K.

Methoden

Der QCL-Wafer wurde auf einem n-dotierten (Si, 2 × 10¹⁷ cm⁻³) InP-Substratwafer durch Feststoff-Molekularstrahlepitaxie (MBE) gewachsen. Die aktive Region (AR) besteht aus 35 Perioden spannungskompensierter In_0,67Ga_0,33As/In_0,37Al_0,63As-Quantenwellen und -barrieren. Die gesamte Waferstruktur vor der Fertigung umfasst: 4 µm untere InP-Kleiderschicht (Si, 3 × 10¹⁶ cm⁻³), 0,3-µm-dicke n-In_0,53Ga_0,47As-Schicht (Si, 4 × 10¹⁶ cm⁻³), 35 aktive/Injektor-Stufen, 0,3-µm-dicke n-In_0,53Ga_0,47As-Schicht (Si, 4 × 10¹⁶ cm⁻³), 2,6-µm InP obere Kleiderschicht (Si, 3 × 10¹⁶ cm⁻³), 0,15-µm InP allmählich dotierte Schicht (ändernd von 1 × 10¹⁷ bis 3 × 10¹⁷ cm⁻³) und 0,4-µm hochdotierte InP-Kleiderschicht (Si, 5 × 10¹⁸ cm⁻³).

Nach der Epitaxie in MBE wurden die Geräte mit Nasschemie geätzt und anschließend 450 nm SiO₂ per PECVD abgeschieden. Nach Öffnung des elektrischen Injektionsfensters wurde der obere Metallkontakt gebildet. Die beiden Sektionen der Talbot-Kavität und des getaperten Arrays sind elektrisch über den Au-Topkontakt verbunden. Danach wurde der Wafer-Substrat ausgedünnt und die unteren Metallkontakte aufgedampft. Der Wafer wurde mit einer Dicing-Säge in ca. 2 mm lange Stücke gesägt, um die Talbot-Kavitätslänge präzise zu kontrollieren. Schließlich wurden die Geräte epitaktische-Seite nach unten auf einen Kupfer-Kühlkörper mit Indiumlot aufgelötet. Da die Talbot-Kavitätssektion elektrisch injiziert wird, akkumuliert Wärme aufgrund ihrer breiten Dimension, was in zukünftigen Arbeiten durch elektrische Isolierung vermieden werden sollte. Die Talbot-Kavitätssektion könnte möglicherweise durch andere Wellenleitermaterialien mittels komplexer Fertigung wie Wafer-Bonding und -Alignment ersetzt werden, und der phasenverriegelte Betrieb könnte dennoch erreicht werden. Gemäß der Supermodenverteilung der Talbot-Kavität in Abb. 1 wurde unsere Talbot-Kavitätslänge auf Z_t/8 festgelegt, ähnlich wie in Ref. [19], was hier ca. 104 µm entspricht. Abbildung 2 zeigt Skizze und Mikroskopbilder des Geräts. Die Arrays enthalten fünf Taper-Elemente und eine Talbot-Kavität. Das Taper-Element besteht aus einem 1-mm-langem Taper-Ende und ~0,9-mm-langem geradem Ende mit einer Breitenänderung von 10 auf 16 µm. Der Mittelpunkt-zu-Mittelpunkt-Abstand zwischen benachbarten Elementen im Array beträgt 25 µm, und die Länge jedes Laserelements beträgt ca. 2 mm. Die Talbot-Kavitätslänge in dieser Arbeit beträgt durchgehend ca. 104 µm.

a Skizze des Taper-Elements in den Arrays; der 3D-Schema der Arrays mit b geradem Ende an der Talbot-Kavität und c Taper-Ende an der Talbot-Kavität, entsprechend den Frontfazetten-Mikroskopbildern von d und e.

Ergebnisse und Diskussion

Gemäß der gekoppelten Modentheorie ist die Anzahl der Supermoden in einem phasenverriegelten Array gleich der Anzahl der Elemente. Ein phasenverriegeltes Array mit fünf Elementen hat also fünf Supermoden. Unter Annahme nur benachbarter Kopplung zwischen den Arrayelementen in der Talbot-Kavität kann das Nahfeldverteilungsmuster der verschiedenen Supermodenordnungen mit der Kopplungsmatrix erhalten werden. Die Nahfeldstärke als Funktion der lateralen Arraydimension kann demonstriert werden als:

$$ {E}_j\propto \sum \limits_{m=1}^M\sin \left(\frac{mj}{M+1}\pi \right)\exp \left[-\frac{{\left(x-{x}_m\right)}^2}{\omega^2}\right] $$

wobei j die Supermodenordnung, M die Anzahl der Arrayelemente, ω der Strahltaillenradius des Gaußstrahls in jedem Element und x_m die zentrale Position jedes Elements ist. Die Simulationsergebnisse verschiedener Supermodenordnungen sind in Abb. 3a dargestellt. Die entsprechenden Fernfeldmuster lassen sich durch Fourier-Transformation aus der Nahfeldverteilung ableiten, wie in Abb. 3b gezeigt.

a Berechnete Nahfeldmuster der N = 1, 3, 5-ten Supermoden in einem fünf-elementigen beugungskoppelten Array. Der fundamentale Supermodus (N = 1) basiert auf dem geraden Ende an der Talbot-Kavität, die höherwertigen Supermoden (N = 3, 5) auf dem Taper-Ende an der Talbot-Kavität. b Simulierte Fernfeldmuster gemäß a. c Gemessenes Fernfeldverteilung des QCL-Arrays mit geradem Ende an einer Talbot-Kavität. d Gemessenes Fernfeldverteilung des QCL-Arrays mit Taper-Ende an einer Talbot-Kavität.

Die Fernfeldmuster der Talbot-Kavitäts-phasenverriegelten Arrays wurden von der Array-Wellenleiterfazette aus mit der Lock-in-Technik und einem raumtemperaturbetriebenen Quecksilber-Cadmium-Tellurid (MCT)-Detektor gemessen. Das QCL-Array auf einer Drehbühne wurde ~25 cm vom MCT-Detektor entfernt platziert und über eine hausgemachte Software zur Datenerfassung gesteuert. Die gemessenen Fernfeldmuster der Talbot-Kavitäts-Arrays sind in Abb. 3c, d dargestellt, entsprechend dem Gerät mit geradem Ende an der Talbot-Kavität und dem Gerät mit Taper-Ende an der Talbot-Kavität. Die Fernfeldverteilungen in Abb. 3c zeigen starke Zentralloben bei 0°, was den fundamentalen Supermoden-Betrieb gemäß Kopplungstheorie anzeigt. Die Halbwertsbreite (FWHM) beträgt ca. 2,7°, was eine beugungsbegrenzte (D.L.) Divergenz gemäß der D.L.-Formel zeigt: sin θ = 1,22λ/d, wobei θ der D.L.-Winkel, λ die Wellenlänge und d die Lichtausgangsbreite des Arrays ist. Für einen getaperten Einzel-emitter mit 16 µm Lichtausgangsbreite beträgt die D.L. FWHM-Divergenz ca. 21°. Seitenloben erscheinen bei ~12°, sehr nahe am FWHM des Einzel-emitter-Fernfeldhüllkurven. Die Intensitäten von Zentrallobe und Seitenloben entsprechen der Verteilung des Einzel-emitter-Fernfeldmusters. Daher haben die Seitenloben halb so hohe Intensität wie die Zentrallobe. Weiterhin kann ein Einzelloben-Fernfeldprofil durch Erhöhung der Rippenbreite zur Verringerung der Divergenz der Arrayelemente erzielt werden. Die größere Rippenbreite kann durch Verbreiterung des Tapers erreicht werden. Die Fernfeldmuster in Abb. 3d haben keine Lobe an der zentralen 0°-Position, sondern sind primär doppellobig, was den Betrieb höherwertiger Supermoden anzeigt, entsprechend dem dritten Supermodus in Abb. 3b. Um den fundamentalen Supermoden-Betrieb zu erhalten, fertigten wir Geräte mit verschiedenen Talbot-Kavitätslängen von 90 bis 110 µm in 1-µm-Schritten. Leider konnte der fundamentale Supermoden-Betrieb im Gerät mit Taper-Ende an der Talbot-Kavität bei keiner Talbot-Kavitätslänge erreicht werden.

Die Fernfeldergebnisse der beiden Arraytypen lassen sich mit dem theoretischen Modell in Ref. [19, 21] erklären. Die Talbot-Kavität kann als Spiegel mit unterschiedlicher äquivalenter Reflektivität für verschiedene Supermoden approximiert werden; hohe äquivalente Reflektivität bedeutet hohe Verstärkungseffizienz und niedrigen Schwellenverstärkung. Berechnung und Simulation der äquivalenten Reflektivität ähneln Ref. [19]. Abbildung 4 zeigt die Simulationsergebnisse der äquivalenten Reflektivität für verschiedene Supermodenordnungen als Funktion der Talbot-Kavitätslänge. Da die N = 2, 4 Supermoden in phasenverriegelten Arrays immer höhere Wellenleiterverluste als N = 1, 3, 5 Supermoden haben, werden sie in der Simulation vernachlässigt. Für Arrays mit geradem Ende an der Talbot-Kavität hat der fundamentale Supermodus die höchste äquivalente Reflektivität und große Diskriminierung gegenüber höherwertigen Supermoden um Z_t/8. Für das Taper-Ende an der Talbot-Kavität ist die Diskriminierung zwischen fundamentalem und höherwertigem Supermodus relativ gering. In diesem Fall neigt der Laser zum Betrieb mit dritten Supermoden aufgrund schwacher Modendiskriminierung im Taper-Ende-an-Talbot-Kavität-Gerät.

Theoretische äquivalente Reflektivitätsintensität der Talbot-Kavität als Funktion der Talbot-Kavitätslänge für N = 1, 3, 5 Supermoden eines fünf-elementigen Talbot-Kavitäts-QCL-Arrays; oben: gerades Ende an Talbot-Kavität, unten: Taper-Ende an Talbot-Kavität.

Die emittierte optische Leistung wurde mit einem kalibrierten Thermopile-Detektor direkt vor der Laser-Wellenleiterfazette gemessen. Spektralmessungen erfolgten mit einem Fourier-Transform-Infrarot (FTIR)-Spektrometer mit 0,25 cm⁻¹ Auflösung im Rapid-Scan-Modus. Abbildung 5a zeigt die Leistung-Strom-Kennlinie (P-I) im Pulsbetrieb bei 2 kHz Treiberfrequenz und 0,2 % Tastverhältnis. Für das Gerät mit geradem Ende an der Talbot-Kavität QCL-Array wird eine Gesamtsptizenleistung von 1,3 W bei 298 K mit einer Schwellenstromdichte von 3,7 kA/cm² und einem Steigungswirkungsgrad von 0,6 W/A erzielt, entsprechend 1,6 W Ausgangsleistung mit 3,4 kA/cm² Schwellenstromdichte und 0,65 W/A Steigungswirkungsgrad für das Taper-Ende-Array (blaue und violette Linie). Zum Vergleich zeigt ein Einzellaser mit 2-mm-langer × 10-µm-breiter Rippe eine maximale Spitzenleistung von 0,41 W, 3 kA/cm² Schwellenstromdichte und 1 W/A Steigungswirkungsgrad. Die Ausgangsleistung der Arrays mit fundamentalem Betrieb beträgt das Dreifache des Einzel-emitter. Zur knapperen Darstellung der Testergebnisse sind die Ausgangskennlinien der drei Geräte in Tabelle 1 zusammengefasst. Die durchschnittliche Ausgangsleistung pro Element beträgt ca. 63 % des Einzel-emitter, was höher ist als in Ref. [19]. Ref. [26] berichtet ein phasenverriegeltes QCL-Array mit intra-kavitärer Talbot-Filter mit durchschnittlicher Leistung des einzelnen Arrayelements von 43 % eines Einzel-emitter. Die Effizienz ist niedriger als bei Geräten mit einer Verbindung zwischen Talbot-Kavität und Arrayelementen aufgrund zusätzlicher optischer Verluste in den zwei kreisförmigen Verbindungen durch Nassätzverfahren. Ref. [27] berichtet ein sechs-elementiges Gerät mit integrierter Talbot-Kavität mit fünffacher Ausgangsleistung des Einzel-emitter bei einer Koppeleffizienz von ~83 %. Die geringere Effizienz in unseren Geräten ist höchstwahrscheinlich auf stärkere Kantendiffraktionsverluste in der Talbot-Kavität und die Fertigung mit Nassätzverfahren zurückzuführen. Zukünftige Arbeiten sollten Trockenätzverfahren einsetzen und die Taper-Zonenlänge erhöhen, um weitere Leistungsskalierung zu erreichen. Das Inset von Abb. 4a zeigt das Laserspektrum der phasenverriegelten Arrays bei Raumtemperatur und 1,3 I_th. Die Zentrumswellenlänge wurde auf 4,8 µm gemessen mit multimodaler Natur aufgrund fehlender Längsmodenselektion. Ein Einzellinien-Spektrum kann durch Einführung eines verteilten Rückkopplungsgitters (DFB) auf der oberen Kleiderschicht erreicht werden. Die thermische Charakteristik von Breitflächen-QCLs und QCL-Arrays wurde mit der Finite-Elemente-Software COMSOL simuliert. Die feste Rippenbreite wurde auf 10 µm gesetzt und der Elementabstand im Array von 0 bis 20 µm in 5-µm-Schritten variiert. Abbildung 5b zeigt die Temperatur der aktiven Region als Funktion des Elementabstands. Die Temperatur der aktiven Region im Breitflächen-Gerät ist ca. 20 K höher als im Talbot-Kavitäts-Gerät.

a Gesamtsptizenleistung als Funktion des Injektionsstroms bei 298 K für gerades Ende (blaue Linie)/Taper-Ende (violette Linie) an der Talbot-Kavität QCL-Array und ein 2-mm-lang × 10-µm-breiter Einzellaser (grüne Linie). Alle Geräte haben keine Beschichtung auf beiden Kavitätenseiten. Der Stromtreiber wird bei 2 kHz mit 0,2 % Tastverhältnis gehalten. Der Inset zeigt das Laserspektrum der geraden-Ende-Arrays bei 1,3-facher Schwellenstrom, gepikt bei ~4,8 µm. b Temperatur der aktiven Region des QCL-Arrays als Funktion des Arrayelementabstands. Die Arrayelement-Rippenbreite ist fix 10 µm, der Abstand variiert von 0 bis 20 µm in 5-µm-Schritten.

Schlussfolgerung

Zusammenfassend haben wir getaperte QCL-Arrays demonstriert, die an geradem und Taper-Ende jeweils mit Talbot-Kavitäten integriert sind. Geräte mit Talbot-Kavität am geraden Ende zeigen fundamentale Moden-Fernfeldmuster mit einer D.L.-Divergenz von 2,7° bei 4,8 µm Emissionswellenlänge. Eine Ausgangsleistung von 1,3 W wird für das gerade-Ende-Array mit 0,6 W/A Steigungswirkungsgrad erzielt. Da das Talbot-Kavitäts-phasenverriegelte Array keine sehr enge Kopplungsdistanz erfordert, ist die Wärmeakkumulation geringer als bei evaneszenten-wellen-koppelten Arrays. Solche Geräte haben Potenzial für hochbrillante QCL-Arrays mit hohem Tastverhältnis und D.L.-Divergenz. Zukünftige Arbeiten sollten sich auf die Auswahl geeigneter Arrayelement-Rippenbreiten und -abstände, den Einsatz vergrabener Rippenwellenleiter und das Thermomanagement mit Mikro-Impingement-Kühlern konzentrieren. Zudem wird die reduzierte Kaskadenzahl der aktiven Region 크게 zum Hochtastverhältnis-Betrieb hochbrillanter QCLs beitragen.

Abkürzungen

AR:

Aktive Region

CW:

Continuous wave

D.L.:

Beugungsbegrenzt

DFB:

Distributed feedback

FWHM:

Volle Breite bei halber Maximale

I_th:

Schwellenstrom

MBE:

Molekularstrahlepitaxie

MCT:

Quecksilber-Cadmium-Tellurid

MOVPE:

Metallorganische Gasphasenepitaxie

PECVD:

Plasma-unterstützte chemische Gasphasenabscheidung

P-I:

Leistung-Strom

QCL:

Quantenkaskadenlaser

WPE:

Wandsteckdosen-Wirkungsgrad