Ungewöhnliche Kurzwellige Modensprünge in Hochleistungs-DBR-Quantenkaskadenlasern

Zusammenfassung

Wir berichten über unerwartete kurzwellige Modensprünge in Distributed-Bragg-Reflektor (DBR) Quantenkaskadenlasern (QCLs), die nahe 7,6 µm emittieren. Zwei-Sektions-Geräte – Gewinn- und ungepumpter Bragg-Sektion – liefern >0,6 W CW-Ausgang bei Raumtemperatur. Entgegen dem konventionellen langwelligen Drift mit steigender Temperatur oder Injektionsstrom springt der Lasermodus gelegentlich zu einer kürzeren Wellenlänge. Modale Analyse zeigt, dass temperaturinduzierte Brechungsindexänderungen die Longitudinalmoden schneller verschieben als den Bragg-Peak, was zu den beobachteten Übergängen führt.

Einleitung

Quantenkaskadenlaser unterscheiden sich von konventionellen Halbleiterlasern durch Betrieb an Intersubband-Übergängen innerhalb des Leitungsbandes, was Emission im Mittel- bis Ferninfrarot ermöglicht. Ihre breite spektrale Abdeckung macht sie unverzichtbar für Gassensing, hochauflösende Spektroskopie und industrielles Monitoring. Viele Anwendungen erfordern jedoch schmale Linienbreite und hohe Ausgangsleistung. Distributed Feedback (DFB) und External Cavity (EC) QCLs bieten typischerweise Einmodenbetrieb, sind aber auf ~100 mW Ausgang und enge Abstimmbereiche begrenzt. Ein DBR-QCL bietet eine kompakte Plattform für hochleistungsfähigen Einmoden-Ausgang, doch das detaillierte spektrale Verhalten wurde bisher wenig erforscht. Hier präsentieren wir DBR-QCLs und untersuchen anomale Modensprünge eingehend.

Methoden

Das DBR-Gitter wurde durch Doppelstrahl-Holographie-Interferometrie definiert. Das Gerät besteht aus einer Gewinnsektion (L_G), einer DBR-Sektion (L_DBR) und einer Stromisolationsnut. Der QCL-Kern wurde auf n-InP durch feststoffbasierte MBE gezüchtet, باستخدام 50 spannungskompensierte In_0,58Ga_0,42As/In_0,47Al_0,53As Quantenwellen (siehe Dickensequenz in der Quelle). Eine 100-nm-SiO₂-Schicht wurde auf die obere Einsperrschicht abgeschieden; der DBR-Bereich wurde auf eine Tiefe von ~130 nm geätzt, gefolgt von SiO₂-Entfernung. Der obere Wellenleiter wurde durch MOVPE nachgewachsen, was eine 3 µm obere InP-Klemmschicht, eine 0,15 µm graduell dotierte InP-Schicht und eine 0,85 µm hochdotierte InP-Kontaktschicht ergab. Der Wafer wurde in einen Doppelkanal-Ridgwellenleiter (Kerbreite ≈10 µm) mit halbisolierendem InP:Fe für thermische und elektrische Isolation verarbeitet. Eine 200-µm-Stromisolationsnut (Tiefe 1,1 µm) trennte die Gewinn- und DBR-Sektionen. Nach SiO₂-Isolierung wurden Ti/Au-Kontakte abgeschieden und eine 5-µm-Au-Schicht galvanisch für Wärmeableitung aufgebracht. Geräte (6 mm lang) wurden auf 4,3 mm Gewinn, 1,5 mm DBR und 0,2 mm Isolationsbereiche gespalten, dann epitaxial-seite-nach-unten auf einen Diamant-Wärmesenker und Kupferhalter aufgelötet.

Ergebnisse und Diskussion

Emissionsspektren wurden mit einem Fourier-Transform-Infrarot-Spektrometer (0,125 cm⁻¹ Auflösung) aufgezeichnet. P-I-V-Kennlinien wurden mit einem kalibrierten Thermopile-Detektor gemessen. Der Laser war auf einem Halter mit Thermistor und thermoelektrischem Kühler montiert, um die Submount-Temperatur zu steuern. Abbildung 2a zeigt die CW-Spektren bei 1,005 I_th, während die Heatsink-Temperatur von 20 °C bis 70 °C in 2 °C Schritten variiert wurde. Das Inset von Abbildung 2b zeigt das 24 °C Spektrum auf logarithmischer Skala, was ein Seitenmoden-Unterdrückungsverhältnis (SMSR) von ≈25 dB offenbart. Im Gegensatz zu konventionellen DFB-QCLs, die linear zu längeren Wellenlängen mit Temperatur oder Strom driften, zeigen unsere DBR-Geräte anomale kurzwellige Modensprünge, wenn die Temperatur steigt. Um dies zu erklären, untersuchten wir den Modenselektionsmechanismus. Abbildung 3a zeigt die gemessene Wafer-Gewinnkurve und das berechnete Bragg-Reflexionsprofil (98 % Reflektivität für ein 1,5-mm-Gitter). Das Schema in Abbildung 3b zeigt, wie Gewinn, Bragg-Peak und Longitudinalmoden sich mit Temperatur verschieben. Der Gewinnpeak bewegt sich bei −0,581 cm⁻¹ K⁻¹, während der Bragg-Peak sich bei −0,128 cm⁻¹ K⁻¹ verschiebt. Da der Bragg-Peak auf der kurzwelligen Seite des Gewinns bleibt, bewegen sich die Longitudinalmoden, die der Brechungsindexänderung folgen, schließlich schneller als der Bragg-Peak, was einen Modensprung zum nächsten verfügbaren Longitudinalmodus erzwingt. Dies erklärt die beobachteten anomalen Sprünge. Der Longitudinalmodenabstand wurde aus der effektiven Kavitätenlänge berechnet: L_eff = (1/2κ) tanh(κL_DBR), wobei κ = (1/Λ)(Δn̄/n̄). Für ein 1,5-mm physikalisches DBR beträgt L_eff ≈0,291 mm, was einen theoretischen Abstand von 0,328 cm⁻¹ ergibt, in ausgezeichneter Übereinstimmung mit den experimentell beobachteten 0,12 cm⁻¹ Intervallen. Abbildung 5 illustriert das gleiche Phänomen mit steigendem Injektionsstrom. Der erste anomale Sprung erstreckt sich über 0,904 cm⁻¹ (Überqueren von drei Moden), gefolgt von einem 0,301 cm⁻¹ Sprung. Die P-I-Kurve zeigt klare Diskontinuitäten bei jedem Sprung, ein Verhalten, das bei Standard-DFB-QCLs fehlt. Abbildung 6 vergleicht den DBR-Laser mit einem 4-mm-Fabry-Perot (FP) Laser. Der FP erreicht 987 mW, während der DBR 656 mW bei 20 °C und 235 mW bei 70 °C erreicht, die höchste berichtete Einmoden-Leistung für Langwellen-IR-QCLs. Simulierte optische Feldverteilungen (Abbildung 6b) zeigen, dass der DBR hohe Intensität in der Gewinnsektion beibehält, während er im DBR schnell abklingt, was Langkavitätenbetrieb ohne Überkopplung ermöglicht – ein Vorteil gegenüber DFB-Lasern.

Schlussfolgerungen

Wir haben hochleistungsfähige DBR-QCLs mit >0,6 W CW-Ausgang bei Raumtemperatur demonstriert. Detaillierte Analyse anomaler kurzwelliger Modensprünge liefert Einblicke in die Modenselektionsdynamik von DBR-Geräten. Die DBR-Architektur ermöglicht Langkavitäten-Einmodenbetrieb mit überlegener Leistungsextraktion und positioniert sie als vielversprechende Plattform für hochleistungsfähige Mittelinfrarot-Laseranwendungen.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten sind uneingeschränkt vollständig verfügbar.

Abkürzungen

CW

Continuous Wave (Dauerstrich)

DBR

Distributed Bragg Reflector

DFB

Distributed Feedback

EC

External Cavity

FP

Fabry-Perot

MBE

Molekularstrahlepitaxie

MOVPE

Metallorganische Gasphasenepitaxie

P-I-V

Power-Current-Voltage

QCL

Quantum Cascade Laser

SMSR

Side-Mode Suppression Ratio