Lasers de cascata quântica DFB emissores de substrato de baixo consumo de energia

Resumo

No presente trabalho, um laser em cascata quântica (QCL) com ultra baixo consumo de energia e feedback distribuído por substrato e emissão de substrato (DFB) foi desenvolvido. A dissipação de potência do limiar de onda contínua (CW) é reduzida para 0,43 W a 25 ° C, encurtando o comprimento da cavidade para 0,5 mm e depositando um revestimento de alta refletividade (HR) em ambas as facetas. Até onde sabemos, esta é a dissipação de potência limite registrada de QCLs nas mesmas condições. A emissão monomodo foi alcançada empregando uma grade enterrada de segunda ordem. A emissão sem salto de modo pode ser observada em uma ampla faixa de temperatura de 15 a 105 ° C no modo CW. Os ângulos de divergência são 22,5 ^o e 1.94 ^o na direção da largura da crista e na direção do comprimento da cavidade, respectivamente. A potência óptica máxima em operação CW foi de 2,4 mW a 25 ° C, o que é suficiente para aplicações de espectroscopia.

Histórico

Nos últimos anos, os lasers em cascata quântica (QCLs) passaram por um rápido desenvolvimento e se tornaram a fonte mais promissora na região de frequência do infravermelho médio [1,2,3]. Beneficiado de sua alta potência, operação monomodo e tamanho compacto, QCLs de feedback distribuído (DFB) têm sido amplamente utilizados em muitas aplicações, como detecção de gases traço, comunicação em espaço livre e análise de substâncias [4,5,6]. No entanto, a desvantagem remanescente dos QCLs é sua alta dissipação de energia elétrica, o que limitou sua aplicação em alguns sistemas portáteis e altamente integrados. Para diminuir a dissipação de energia, o método mais simples é diminuir o tamanho da geometria do dispositivo, como encurtar a cavidade e estreitar a crista. O revestimento de alta refletividade (HR) também é muito eficaz para reduzir a perda do espelho. Alguns estudos foram feitos para reduzir o limiar de dissipação de potência de QCLs de Fabry-Perot (FP) usando uma pequena cavidade e depositando um revestimento de HR [7] ou um revestimento de alta refletividade parcial (PHR) nas facetas [8], em que o potência dissipada tão baixa quanto 1,2 W a 22 ° C e 0,83 W a 25 ° C foi demonstrada por AC Richard et al. e Y. Bai et al., respectivamente. Esses métodos também podem ser aplicados a dispositivos DFB. Em 2014, Ryan M. Briggs et al. relataram um DFB QCL monomodo emitindo a 4,8 μm com um limite de consumo de energia CW de 0,76 W e potência óptica máxima de cerca de 17 mW a 20 ° C [9]. Em 2015, A. Bismuto et al. demonstraram QCLs DFB monomodo de cavidade curta e crista estreita, emitindo a 4,5 μm com potência dissipada de limiar de CW tão baixa quanto 0,5 W a 20 ° C [10]. A potência óptica máxima é de cerca de 150 mW; no entanto, a potência elétrica injetada é superior a 6 W. Outros métodos, como otimização de dopagem e estrutura ativa de baixo período, também foram investigados [7, 11]. Para QCLs emissores de borda, o revestimento HR é comumente depositado na faceta posterior e deixando a faceta frontal sem revestimento ou revestida com PHR para reduzir a perda do espelho, enquanto mantém a potência ótica emitida pela faceta frontal. Em vez disso, ambas as facetas podem ser revestidas com HR para emissão de substrato para diminuir ainda mais a perda de espelho, uma vez que a luz é emitida a partir do substrato em vez da faceta frontal. Além disso, distribuições de campo distante melhoradas podem ser esperadas de QCLs emissores de substrato [12, 13]. De acordo com nosso trabalho recente, um DFB QCL emissor de substrato com dissipação de potência de baixo limiar de 1,27 W a 20 ° C foi obtido pela deposição de revestimento HR em ambas as facetas [14]. A região ativa na Ref [14] consiste em 40 períodos de superrede, e a tensão limite é de cerca de 13 V. Uma tensão limite inferior e, portanto, dissipação de potência limite inferior pode ser esperada se o número do período da região ativa for diminuído. O comprimento da cavidade de 1 mm também pode ser ainda mais reduzido projetando-se adequadamente a grade de segunda ordem enterrada para diminuir a dissipação de potência do limiar.

No presente trabalho, um DFB QCL emissor de substrato com consumo de energia ultrabaixo foi desenvolvido. O limiar de dissipação de potência trabalhando no modo CW é tão baixo quanto 0,4 W a 15 ° C e 0,43 W a 25 ° C, encurtando o comprimento da cavidade para 0,5 mm e depositando o revestimento HR em ambas as facetas. A potência óptica máxima no modo CW é 2,4 mW a 25 ° C, o que é suficiente para aplicações de espectroscopia. A emissão monomodo foi alcançada empregando uma grade enterrada de segunda ordem. Os ângulos de divergência são 22,5 ^o e 1.94 ^o largura total na metade do máximo (FWHM) na direção da largura da crista e na direção do comprimento da cavidade, respectivamente. A distribuição de campo distante de lóbulo duplo na direção do comprimento da cavidade indica que o modo anti-simétrico é favorecido. Esses dispositivos podem operar no modo CW sem salto de modo em uma ampla faixa de temperatura de 15 a 105 ° C e serão muito adequados em aplicações portáteis de alta integração.

Métodos

A região ativa do dispositivo foi baseada no projeto ressonante de dois fônons com compensação de tensão, emitindo a ~ 4,6 μm. O wafer foi cultivado em um n-dopado (Si, 2 × 10 ¹⁷ cm ^{- 3} ) Substrato de InP por epitaxia de feixe molecular de fonte sólida (MBE). Trinta estágios de In _0,67 Ga _0,33 Como / Em _0,36 Al _0,64 Como poços quânticos e barreiras foram incluídos no núcleo ativo, que era semelhante à Ref. [15] Toda a sequência de camadas foi a seguinte:camada de revestimento inferior de 1,2 μm de espessura (Si, 2,2 × 10 ¹⁶ cm ^{- 3} ), N-In de 0,3 μm de espessura _0,53 Ga _0,47 Como camada (Si, 4 × 10 ¹⁶ cm ^{- 3} ), 30 estágios de injetor / ativo, n-In de 0,3 μm de espessura _0,53 Ga _0,47 Como camada (Si, 4 × 10 ¹⁶ cm ^{- 3} ), e jogador de revestimento de guia de onda superior. Para fabricar a grade enterrada, a camada superior do revestimento do guia de ondas foi removida até a camada InGaAs superior. A grade de segunda ordem com um período de Λ =1,42 μm (ciclo de trabalho σ =0,45, profundidade d =130 nm) foi definida na camada InGaAs superior de 0,3 μm de espessura por tecnologia de litografia holográfica e corrosão química úmida. A Figura 1a mostra a imagem do microscópio eletrônico de varredura (SEM) da grade de segunda ordem enterrada. Depois disso, uma camada InP de baixa dopagem com 3 μm de espessura (Si, 2,2 × 10 ¹⁶ cm ^{- 3} ) seguido por uma camada InP gradualmente dopada de 0,15 μm (Si, de 1 × 10 ¹⁷ para 3 × 10 ¹⁷ cm ^{- 3} ) e uma camada de revestimento InP dopada de 0,4 μm (Si, 5 × 10 ¹⁸ cm ^{- 3} ) foram realizados em sequência como revestimento superior por epitaxia de fase vapor orgânica de metal (MOVPE).

a A imagem SEM da grade enterrada e b o coeficiente de acoplamento simulado e a resistência de acoplamento da grade de segunda ordem enterrada com COMSOL

Após a implementação do novo crescimento, o wafer foi gravado em estrutura de guia de onda de canal duplo com uma largura média de núcleo de 7 μm. Então, um SiO ₂ com 450 nm de espessura foi depositado por deposição química de vapor aprimorada por plasma (PECVD) para isolamento. Uma janela de injeção de elétrons de 2 μm de largura foi padronizada em SiO ₂ camada da crista, e o contato elétrico foi fornecido por uma camada de Ti / Au. Para melhor dissipação de calor, uma camada adicional de Au de 4 μm de espessura foi galvanizada. Antes da clivagem de fato, simulações massivas para o projeto da grade enterrada de segunda ordem foram implementadas com software de método de elementos finitos (COMSOL), que era semelhante à Ref. [16] Após o desbaste para 150 μm, o guia de onda foi clivado em dispositivos de 0,5 e 1 mm de comprimento, correspondendo à força de acoplamento de 0,54 ~ 1,77 e 1,08 ~ 3,55, respectivamente. Em seguida, ambas as facetas desses dispositivos foram revestidas com HR por evaporação de feixe de elétrons. O revestimento HR consistia em Al ₂ O ₃ / Ti / Au / Al ₂ O ₃ (200/10/100/120). Os dispositivos foram montados em epi-layer down em dissipadores de calor de cobre com solda de índio e, em seguida, fio ligado a uma almofada de contato externa.

O teste do dispositivo foi feito em um estágio de resfriador termoelétrico (TEC) com um termistor regulando e monitorando a temperatura do dissipador de calor. A potência de saída do QCL foi medida por um detector de termopilha calibrado (Coherent, EMP1000) que foi colocado bem na frente do dispositivo com um tubo metálico coletando a emissão do laser. Em seguida, o dispositivo foi colocado em um estágio de rotação controlado por motor de passo com resolução de 0,01 ^o para teste de distribuição de campo distante e um detector de HgCdTe à temperatura ambiente (Vigo, PVMI-10.6) foi colocado na frente do laser com uma distância de 30 cm para detectar a radiação. A medição do espectro foi realizada usando um espectrômetro infravermelho de transformada de Fourier (FTIR) (Thermo Fisher Scientific, Nicolet 8700) com uma resolução de 0,25 cm ^{- 1} no modo de varredura rápida.

Resultados e discussão

O resultado da simulação do COMSOL é mostrado na Fig. 1b. De acordo com o cálculo, um coeficiente de acoplamento de | κ | =35,5 ~ 10,75 cm ^{- 1} é obtido para a grade enterrada com ciclo de trabalho de 0,35 ~ 0,45 e profundidade de corrosão de 180 nm. A força de acoplamento g =| Κ | L , onde L é o comprimento da cavidade do QCL. Para obter uma emissão superficial eficiente, a força de acoplamento de 1–2 é sempre necessária. Para um dispositivo com comprimento de cavidade de 1 e 0,5 mm, a força de acoplamento simulada está na faixa de 3,55 ~ 1,07 e 1,78 ~ 0,54 quando o ciclo de trabalho é de 0,35 ~ 0,45. Portanto, o design da grade enterrada é muito essencial para dispositivos com cavidades curtas.

De particular interesse é a caracterização elétrica. A luz-corrente-voltagem (L-I-V ) A curva dos dispositivos com diferentes comprimentos de cavidade é mostrada na Fig. 2. Os lasers operavam no modo CW e a temperatura do dissipador de calor era regulada por um controlador de temperatura (Thorlabs, ITC-QCL-4000). Como mostrado na Fig. 2a, o dispositivo com cavidade de 1 mm de comprimento exibe uma corrente de limiar de 65 mA a 25 ° C, correspondendo a uma densidade de corrente de limiar de 0,54 kA / cm ^{- 2} e dissipação de potência de 0,67 W. A potência óptica máxima é de 8,6 mW com uma potência elétrica injetada de 1,66 W, e a eficiência do declive é de 0,11 W / A. Em alta temperatura de 65 ° C, a potência óptica máxima ainda é mais de 5 mW. Para um dispositivo de 0,5 mm de comprimento de cavidade, a corrente de limiar e a dissipação de energia são diminuídas para 39 mA e 0,4 W a 15 ° C, como mostrado na Fig. 2b. A densidade de corrente limite é de 0,65 kA / cm ^{- 2} . A potência óptica máxima de 2,8 mW é deduzida quando a potência elétrica injetada é de 0,74 W. A 25 ° C, a corrente de limiar é ligeiramente aumentada para 41 mA, correspondendo a um consumo de energia de 0,43 W. Até onde sabemos, isso é o menor limite de consumo de energia de QCLs na mesma temperatura. A potência óptica máxima deste dispositivo é 2,4 mW com uma dissipação de potência de 0,76 W, que é muito capaz de algumas aplicações de sensores integrados de alta. A 35 ° C, a potência óptica máxima é de cerca de 1,9 mW. Este dispositivo pode operar em temperaturas de até 105 ° C no modo CW, mas a potência de saída se tornará pequena e muito difícil de detectar com precisão. Em comparação com os trabalhos anteriores na Ref [9,10,11], a potência óptica máxima de nosso projeto não é notável por causa da baixa eficiência de tomada de parede do dispositivo. Isso é inerentemente limitado pela qualidade do wafer epitaxy. Além disso, a eficiência máxima do plugue de parede do dispositivo com comprimento de cavidade de 0,5 mm é de 0,32% à temperatura ambiente, menor do que a do dispositivo com comprimento de cavidade de 1 mm, ou seja, 0,5%.

As características L-I-V do 1 mm ( a ) e 0,5 mm ( b ) dispositivos

A caracterização dos espectros dos lasers é mostrada na Fig. 3. Ambos os dispositivos de 1 e 0,5 mm podem operar no modo CW sem salto de modo dentro de uma ampla faixa de temperatura de 15 a 105 ° C. Esta é a temperatura de trabalho mais alta em todos os QCLs de baixo consumo de energia. Essa alta temperatura de trabalho é principalmente beneficiada pela redução da perda de espelho trazida pelo revestimento HR nas facetas. O coeficiente de mudança de temperatura é - 0,21 cm ^{- 1} / K e - 0,19 cm ^{- 1} / K, respectivamente. Há uma pequena diferença entre os regimes de espectros dos dois dispositivos na mesma faixa de temperatura, que é provavelmente causada pela litografia não uniforme e processo de corrosão da grade. A taxa de supressão do modo lateral (SMSR) do dispositivo é de cerca de 25 dB. A boa capacidade de ajuste linear, modo único e alta temperatura de operação desses dispositivos os tornam muito úteis em algumas aplicações reais, como detecção de gases traço.

Os espectros de laser de a 0,5 e b Dispositivo de comprimento de cavidade de 1 mm

A distribuição de campo distante de um dispositivo de 0,5 mm é mostrada na Fig. 4. Na direção da largura da crista, um padrão de lóbulo único com ângulo de divergência de 22,5 ^o (FWHM) é observado, como mostrado na Fig. 4a. A Figura 4b mostra o padrão de campo distante na direção do comprimento da cavidade. O padrão de campo distante indica que o modo anti-simétrico é favorecido, o que é causado pelas não uniformidades de clivagem artesanal e reflexos facetários residuais [16]. O modo simétrico pode ser obtido pelo uso de grade de refletor distribuído de Bragg (DBR) em ambos os lados da região da grade DFB para eliminar os reflexos não controlados das facetas clivadas [17].

A distribuição de campo distante de um dispositivo de 0,5 mm de comprimento de cavidade. a , b As distribuições de campo distante na direção da largura do cume e do comprimento da cavidade, respectivamente

Conclusões

Desenvolvemos um DFB QCL emissor de substrato com uma dissipação de potência de limiar ultrabaixo de 0,43 W a 25 ° C operando no modo CW, encurtando o comprimento da cavidade para 0,5 mm e depositando o revestimento HR em ambas as facetas. Sua potência óptica máxima foi de 2,4 mW, e a dissipação de potência correspondente foi de 0,76 W. A emissão monomodo sem salto de modo foi obtida dentro de uma ampla temperatura de 15 a 105 ° C pela definição de uma rede DFB de segunda ordem enterrada. Os ângulos de divergência são 22,5 ^o e 1.94 ^o na direção da largura da crista e na direção do comprimento da cavidade, respectivamente. A característica de baixo consumo do dispositivo pode torná-lo uma fonte de luz promissora em alguns sistemas portáteis alimentados por bateria.

Abreviações

CW:: Onda continua
DFB:: Feedback distribuído
FP:: Fabry-Perot
FTIR:: Transformada de Fourier Infra-vermelho
FWHM:: Largura total pela metade no máximo
RH:: Alta refletividade
MBE:: Epitaxia de feixe molecular
MOVPE:: Epitaxia de fase de vapor orgânico-metal
PECVD:: Deposição de vapor químico intensificada por plasma
PHR:: Alta refletividade parcial
QCL:: Laser de cascata quântica
SEM:: Microscópio eletrônico de varredura
SMSR:: Taxa de supressão de modo lateral
TEC:: Refrigerador termoelétrico

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