Demonstração de alta potência e modo único estável em um laser Quantum Cascade usando grade amostrada enterrada

Resumo

Alta potência, operação de modo único estável de baixo limiar enterrado realimentação distribuída de laser quântico em cascata incorporando emissão de grade amostrada em λ ~ 4,87 μm é demonstrado. A alta potência de saída de onda contínua (CW) de 948 mW e 649 mW para um comprimento de cavidade de 6 mm e 4 mm é obtida a 20 ° C, respectivamente, que se beneficia da distribuição otimizada do campo óptico da grade amostrada. Os rendimentos de modo único dos dispositivos são obviamente aumentados pelo controle das posições clivadas das duas facetas das extremidades com precisão. Como resultado, a emissão monomodo estável e o ajuste de modo linearmente sem qualquer salto de modo dos dispositivos são obtidos sob as diferentes temperaturas do dissipador de calor ou altas correntes de injeção.

Introdução

Lasers em cascata quântica (QCLs) se tornaram uma das fontes de luz infravermelha média mais promissoras e atraíram muita atenção para as aplicações de sensoriamento remoto, espectroscopia de alta resolução e monitoramento de processos industriais após sua primeira demonstração devido às suas características de destaque como grande faixa de cobertura de comprimento de onda, tamanho compacto e alta potência de saída [1,2,3,4]. Quanto a essas aplicações, a emissão monomodo e alta potência de saída são normalmente desejadas, o que pode ser obtido por um QCL de feedback distribuído (DFB). A abordagem de grade enterrada foi amplamente adotada para uma menor perda de guia de onda, menor limite de densidade de corrente e maiores rendimentos monomodo em comparação com a grade de superfície [5, 6]. Até agora, uma série de avanços significativos com base em uma abordagem de grade enterrada foram feitas na melhoria do desempenho de DFB QCLs de estabilidade monomodo e potência de saída [7, 8], mas um mecanismo de feedback sobre-acoplado de grade enterrada atrapalha a potência de saída de aumentar ainda mais. O valor típico de potência de saída de onda contínua (CW) de QCLs DFB de grade uniforme enterrados emitindo cerca de 4,6–5 µm é inferior a 300 mW em temperatura ambiente [5, 9]. Teoricamente, o coeficiente de acoplamento da grade enterrada pode ser melhorado otimizando a profundidade da grade e o ciclo de trabalho. No entanto, os níveis de desempenho de feedback distribuído são muito sensíveis ao perfil de corrosão da grade na camada semicondutora próxima à área ativa. Qualquer pequena variação da profundidade de corrosão e do ciclo de trabalho influenciaria fortemente o coeficiente de acoplamento da grade [10, 11]. Além disso, também é difícil melhorar o acoplamento da grade controlando a profundidade da grade e o ciclo de trabalho precisamente com base em uma técnica de litografia holográfica de baixo custo e corrosão química úmida. Geralmente, os DFB QCLs convencionais oscilam em duas frequências ligeiramente deslocadas da frequência de Bragg, que pode perder dependendo da perda ótica influenciada pela fase aleatória da faceta [12,13,14].

Neste trabalho, propomos o uso de grade amostrada enterrada com um pequeno ciclo de trabalho de amostragem para otimizar o coeficiente de acoplamento e melhorar a distribuição do campo óptico. A vantagem proeminente deste método é que ele é capaz de aumentar o comprimento da cavidade do dispositivo para ganho óptico suficiente, enquanto mantém uma força de acoplamento de grade desejável. Para melhorar os rendimentos de modo único e o desempenho final, a posição clivada das duas facetas finais é precisamente controlada para evitar o efeito da fase aleatória da faceta final. Por um lado, esta abordagem retém as vantagens de uma pequena perda de guia de ondas para uma densidade de corrente de baixo limiar e é compatível com o processamento de heteroestrutura enterrada. Além disso, a grade amostrada é fabricada apenas por meio de exposição holográfica convencional combinada com a fotolitografia óptica, o que leva a uma melhor flexibilidade, repetibilidade e custo-benefício. Como resultado, baixo limite e alta potência de saída de modo único DFB QCLs emitindo em λ ∼ 4,87 μm são obtidos simultaneamente na estrutura de grade amostrada enterrada. A densidade de corrente limite desses DFB-QCLs é tão baixa quanto 1,05 kA / cm ² e a faceta única produziu 948 mW de potência de saída CW para o dispositivo com um comprimento de cavidade de 6 mm a 20 ° C.

Métodos

Um diagrama da grade uniforme DFB QCL é mostrado na Fig. 1a; as marcas de I, II, III e IV representam os quatro tipos possíveis de posições das facetas finais clivadas. Como todos sabemos, é difícil controlar com precisão a posição da faceta clivada para uma grade uniforme em nanoescala. Como resultado, o modo de emissão é diferente de dispositivo para dispositivo, pois a posição da faceta clivada é aleatória. Aqui nós simulamos e calculamos a diferença de perda dos dois modos laterais e espectros de perdas de modo de possíveis quatro tipos de posições de faceta final clivadas de I, II, III e IV com base no método de matriz de transferência do MATLAB. O valor absoluto da diferença de perda dos dois modos laterais dos quatro tipos de posições das facetas finais clivadas de I, II, III e IV é mostrado na Fig. 1b; a abcissa é representada como a posição relativa de I, II, III e IV (assumindo que outra faceta começa apenas com o pico da grade e corresponde à fase de zero, então as fases correspondentes de I, II, III e IV são 0, π / 2, π e 3π / 2). As Figuras 1c, d, e e f mostram os espectros de perdas de modo dos quatro tipos de posições de faceta de extremidade clivada em detalhes. Como já foi visto, o modo de laser e a diferença de perda são diferentes de dispositivos para dispositivos influenciados pela fase aleatória da faceta. A Figura 2a mostra a distribuição de campo óptico normalizado correspondente de quatro tipos possíveis de posições de faceta de extremidade clivada de I, II, III e IV simuladas pelo mesmo método de matriz de transferência. As Figuras 2b e c são a amplificação da distribuição do campo óptico próximo às duas facetas finais. Como vimos, a intensidade de ambas as facetas finais não é completamente simétrica, o que é causado por uma posição assimétrica de ambas as facetas finais. Aqui, mostramos a situação com a força de acoplamento κ × L =17, que está sobremoplado. Os picos de intensidade de luz no centro do dispositivo decaem rapidamente em direção às duas extremidades, o que pode levar à queima severa do buraco espacial e, por sua vez, manter a operação monomodo estável pode se tornar difícil [15].

a O diagrama da estrutura de grade uniforme; as denotações de I, II, III e IV representam os quatro tipos possíveis de posições das facetas finais clivadas. b Os valores absolutos da diferença de perda de modo para diferentes posições das facetas finais clivadas de I, II, III e IV, e a abcissa é representada como uma fase correspondente das posições das facetas clivadas de I, II, III e IV. c - f Os espectros de perdas de modo dos quatro possíveis tipos de posições das facetas finais clivadas de I, II, III e IV, respectivamente

a A distribuição do campo óptico correspondente da estrutura de grade uniforme para os quatro tipos de posições das facetas finais clivadas de I, II, III e IV. b , c A amplificação da distribuição do campo óptico perto das duas facetas finais

Aqui, medimos a estrutura da grade de amostragem para melhorar a distribuição da intensidade óptica com base no período de amostragem de P =15 μm e um comprimento de bloco de u =5 μm correspondendo ao ciclo de trabalho de amostragem de σ = u / P =1/3, que é mostrado na Fig. 3a. A linha pontilhada vertical da Fig. 3a representa a posição da faceta clivada, que se desvia da região do bloco para evitar a introdução da fase aleatória da faceta final. O coeficiente de acoplamento efetivo correspondente κ _eff pode ser simplesmente dado pelo produto do coeficiente de acoplamento κ dos tempos de grade uniformes, o ciclo de trabalho σ da grade de amostragem, isto é, κ _eff = κ × σ [16]. Assim, o coeficiente de acoplamento da grade de amostragem pode ser ajustado arbitrariamente pelo ciclo de trabalho da grade de amostragem, o que tem o benefício de otimizar a força de acoplamento da grade de amostragem. Como resultado, a potência de saída pode ser melhorada. A Figura 3b mostra o espectro de transmissão calculado da grade amostrada com base no método de matriz de transferência e o espectro de eletroluminescência (EL) medido sob condição pulsada. O λ ₋₁ e λ ₊₁ são os supermodos adicionais introduzidos pela grade amostrada. A distância espectral adjacente dos supermodos pode ser calculada por Δ λ = λ _B ² / (2 n _eff P ) onde n _eff é o índice efetivo do guia de ondas e λ _B é o comprimento de onda de Bragg da grade uniforme básica [17]. Embora a existência de supermodos possa influenciar a estabilidade de modo único, os supermodos podem ser projetados longe do centro da curva de ganho, escolhendo um pequeno período de amostragem P de acordo com a fórmula da distância espectral dos supermodos. Em nosso estudo, o período básico de grade de Bragg Λ , período de amostragem P , índice efetivo do guia de ondas n _eff , e ciclo de trabalho σ são 0,758 μm, 15 μm, 3,21 e 1/3, respectivamente, de modo que a distância espectral adjacente dos supermodos é de cerca de 246 nm. Como mostra a Fig. 3b, o comprimento de onda de Bragg (ordem 0) é projetado em torno do pico da curva de ganho, enquanto os comprimentos de onda + 1ª e - 1ª ordem estão 246 nm de distância do centro da curva de ganho separadamente. Finalmente, o lasing de modo único estável no modo de ordem 0 em nosso estudo pode ser alcançado. A Figura 4a mostra a distribuição de campo óptico simulado da grade de amostragem em diferentes correntes de injeção. Como pode ser visto, houve uma melhoria dramática na distribuição da intensidade do campo óptico para a estrutura da grade de amostragem nas duas facetas finais, o que corresponde a uma grande melhoria na potência de saída. A Figura 4b é uma amplificação da distribuição do campo óptico perto de uma das facetas finais, e a Fig. 4c exibe a variação detalhada da intensidade do campo óptico na faceta final com correntes de injeção. Conforme mostrado na Fig. 4b, o perfil da distribuição do campo óptico não é suave, mas flutuante. A flutuação é causada pela "reflexão de interface" entre a região do bloco e a região sem grade em cada período de amostragem, induzindo uma concentração de densidade de energia "localizada" ao longo da cavidade. Além disso, conforme mostrado na Fig. 4c, a variação da distribuição da intensidade relativa da faceta final é não linear com as correntes de injeção, o que pode causar não linearidade na curva potência-corrente dos dispositivos.

a O diagrama da estrutura da grade de amostragem, a linha pontilhada vertical representa a posição da faceta clivada, P é o período de amostragem e u é o comprimento da região da grade em um período de amostragem. b A linha azul é o espectro de transmissão calculado da grade amostrada projetada, e a linha vermelha é o espectro de eletroluminescência medido do wafer fabricado

a A distribuição de campo óptico simulado da grade de amostragem em diferentes correntes de injeção. b A amplificação da distribuição do campo óptico próximo a uma das facetas finais. c A variação detalhada da intensidade relativa do campo óptico na faceta final com correntes de injeção

A estrutura QCL foi cultivada em um n-InP (Si, 2 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ ) substrato por epitaxia de feixe molecular de fonte sólida (MBE). O núcleo ativo consistia em 40 estágios de compensação de deformação em _0,67 Ga _0,33 Como / In _0,37 Al _0,63 Como poços quânticos e barreiras que fornecem o canal de transição de elétrons para a produção de fótons, que é circundado pelas camadas de confinamento InGaAs superior e inferior. A grade foi definida na camada de confinamento InGaAs superior usando uma técnica de litografia holográfica de feixe duplo combinada com litografia óptica convencional. Em seguida, a camada de guia de onda superior foi cultivada por epitaxia de fase de vapor orgânico de metal (MOVPE). Depois disso, o wafer foi processado em um guia de onda a laser de canal duplo com uma largura média de núcleo de cerca de 10 μm preenchido com semi-isolante InP:Fe para remoção de calor eficiente. Um SiO ₂ com 450 nm de espessura A camada foi então depositada por deposição química de vapor aprimorada por plasma (PECVD) para isolamento, e o contato elétrico foi fornecido por uma camada de Ti / Au depositada por evaporação de feixe de elétrons. Uma camada adicional de ouro de 5 μm de espessura foi galvanizada para melhorar a dissipação de calor. Depois de ser desbastado para cerca de 140 μm, uma camada de contato de metal Ge / Au / Ni / Au foi depositada no lado do substrato. Em seguida, os guias de ondas foram clivados em barras de 4 mm e 6 mm de comprimento, e o revestimento de alta refletividade (HR) consistindo em Al ₂ O ₃ / Ti / Au / Al ₂ O ₃ (200/10/100/120 nm) foi depositado em uma das facetas por evaporação do feixe de elétrons, deixando uma faceta não revestida para a medição da potência de emissão da borda. Por último, os lasers foram montados com a camada de epilação voltada para baixo em um dissipador de calor de diamante com solda de índio, que foram posteriormente soldados em dissipadores de calor de cobre para uma dissipação de calor eficaz.

Resultados e discussão

Os espectros dos dispositivos foram testados por um espectrômetro infravermelho com transformada de Fourier com resolução de 0,25 cm ⁻¹ . Os lasers foram então montados em um suporte contendo um termistor combinado com um resfriador termoelétrico para monitorar e ajustar a temperatura da submontagem. A potência óptica emitida foi medida com um detector de termopilha calibrado colocado na frente da faceta do laser sem qualquer correção.

As Figuras 5 e 6 mostram os espectros de emissão e as características de corrente de luz (L-I-V) dos dispositivos com uma cavidade de 4 mm e 6 mm de comprimento de cavidade amostrada com QCLs DFB, respectivamente. Como alguns viram, os espectros variam linearmente com a corrente de injeção ou temperatura durante todos os processos de teste. No modo CW, a potência óptica máxima dos dispositivos é 649 mW e 948 mW a 20 ° C para um comprimento de cavidade de 4 mm e 6 mm a 1,2 A e 1,4 A, respectivamente. Além disso, a baixa densidade de corrente de limiar de CW de dispositivos de 1,59 kA / cm ² e 1,05 kA / cm ² a 20 ° C para um comprimento de cavidade de 4 mm e 6 mm é alcançado, o que reflete totalmente a vantagem de pequena perda de guia de onda e baixa densidade de corrente de limiar de grade enterrada. Como observamos nos espectros de laser, o modo de laser é linear com as mudanças de temperatura ou corrente de injeção, o que indica que o salto de modo não ocorre no curso da mudança de corrente ou temperatura de injeção. No entanto, as curvas de potência-corrente não são lineares, o que é causado pelas flutuações da distribuição do campo óptico da estrutura da grade de amostragem e pela alteração não uniforme da intensidade do campo óptico das facetas finais com as correntes de injeção analisadas anteriormente.

a Espectros de emissão de CW de modo único de uma amostra de grade DFB QCL com o comprimento da cavidade de 4 mm em correntes de cerca de 1,1 × I _th para diferentes temperaturas do dissipador de calor de 15–70 ° C. A inserção mostra espectros de emissão de CW em diferentes correntes de injeção de 0,63 a 1,08 A com uma etapa de 0,05 A a 20 ° C. b CW luz-corrente-tensão (L-I-V) características da amostra de grade DFB QCL com o comprimento da cavidade de 4 mm em diferentes temperaturas

a Espectros de emissão de CW de modo único de uma amostra de grade DFB QCL com o comprimento da cavidade de 6 mm em correntes em torno de 1,1 × I _th para diferentes temperaturas do dissipador de calor de 15–70 ° C. A inserção mostra os espectros de emissão de CW em diferentes correntes de injeção de 0,63 a 1,38 A com uma etapa de 0,05 A a 20 ° C. b Características da tensão da corrente da luz CW (L-I-V) da amostra da grade DFB QCL com o comprimento da cavidade de 6 mm em diferentes temperaturas.

A Figura 7 mostra os perfis de campo distante do dispositivo em operação pulsada cerca de 1,25 × I _th à temperatura ambiente. A Figura 7a mostra o perfil do campo distante ao longo da direção da largura do cume, e a Fig. 7b exibe o perfil do campo distante ao longo da direção de crescimento epitaxial. Estudos experimentais demonstraram que um modo transversal fundamental pode mais facilmente se tornar o modo de laser em uma estrutura de grade enterrada do que em uma estrutura de grade de metal de superfície porque a perda do modo transversal fundamental aumenta devido ao acoplamento entre o modo transversal fundamental e o contato de metal superior em uma superfície estrutura de grade metálica [6]. De acordo com isso, o perfil de campo distante do modo transversal fundamental com a largura total na metade do máximo (FWHM) de 28,2 ° ao longo da direção da largura do cume foi obtido em nosso experimento. Portanto, outra vantagem óbvia da conformação de grade enterrada é exibida que o modo laser é geralmente um modo transversal fundamental com um perfil de campo distante de lóbulo único, que é a favor da colimação. Além disso, um grande FWHM de 50,1 ° ao longo da direção de crescimento epitaxial é obtido devido à pequena abertura de emissão que é da mesma ordem do comprimento de onda.

a O perfil do campo distante ao longo da direção da largura do cume. b O perfil de campo distante ao longo da direção de crescimento epitaxial

Conclusões

Em conclusão, foram alcançados QCLs DFB com grade de amostragem de emissão de modo único estável de potência de alta saída e baixo limiar. A potência de saída CW máxima e a densidade de corrente de limiar são 0,948 W (0,649 W) e 1,05 kA / cm ² (1,59 kA / cm ² ) para uma cavidade de 6 mm (4 mm). Uma grande melhoria na distribuição do campo óptico é realizada pela introdução do pequeno ciclo de trabalho amostrado para reduzir a força de acoplamento. Um perfil de campo distante de lóbulo único também é observado. Portanto, para lasers em cascata quântica de realimentação distribuída enterrada, incorporar grade amostrada é um método simples e eficaz para obter dispositivos com alta potência de saída, baixo limiar, emissão de modo único estável e alto rendimento de modo único.

Abreviações

CW:: Onda continua
DFB:: Feedback distribuído
EL:: Eletroluminescência
FWHM:: Largura total pela metade no máximo
RH:: Alta refletividade
L – I – V:: Luz-corrente-tensão
MBE:: Epitaxia de feixe molecular
MOVPE:: Epitaxia de fase de vapor orgânico de metal
PECVD:: Deposição de vapor químico intensificada por plasma
QCL:: Laser de cascata quântica

Formação de esferas de carbono monodispersas com tamanho ajustável via síntese assistida por copolímero tribloco e suas propriedades de capacitor Transistores de filme fino a-InGaZnO de alto desempenho com orçamento térmico extremamente baixo usando um dielétrico Al2O3 rico em hidrogênio

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