Laser Quântico de Cascata DFB de Emissão pelo Substrato com Potência Ultra-Baixa: 0,43 W Limiar a 25 °C

Resumo

No presente trabalho, laser quântico de cascata (QCL) de realimentação distribuída (DFB) de emissão pelo substrato com consumo de potência ultra-baixo foi desenvolvido. Dissipação de potência de limiar em onda contínua (CW) reduzida a 0,43 W a 25 °C encurtando comprimento de cavidade para 0,5 mm e depositando revestimento de alta reflectividade (HR) em ambas as facetas. Até onde sabemos, esta é a dissipação de potência de limiar registrada de QCLs nas mesmas condições. Emissão de modo único alcançada empregando grade de segunda ordem enterrada. Emissão livre de salto de modo observada em ampla faixa de temperatura de 15 a 105 °C em modo CW. Ângulos de divergência são 22,5° e 1,94° na direção da largura da crista e direção do comprimento da cavidade, respectivamente. Potência óptica máxima em operação CW foi 2,4 mW a 25 °C, suficiente para aplicações de espectroscopia.

Introdução

Nos últimos anos, lasers quânticos de cascata (QCLs) passaram por desenvolvimento rápido e tornaram-se fonte mais promissora na região de frequência médio-infravermelho. Beneficiados por sua alta potência, operação de modo único e tamanho compacto, QCLs DFB foram amplamente usados em muitas aplicações como detecção de gases traço, comunicação de espaço livre, e análise de substâncias. Contudo, desvantagem remanescente dos QCLs é sua alta dissipação de potência elétrica, que limitou sua aplicação em alguns sistemas portáteis e altamente integrados. Para diminuir dissipação de potência, método mais direto é diminuir geometria do dispositivo, como encurtar cavidade e estreitar crista. Revestimento de alta reflectividade (HR) também é muito eficaz para reduzir perda de espelho. Alguns estudos foram feitos para reduzir dissipação de potência de limiar de QCLs Fabry-Perot (FP) usando cavidade curta e depositando revestimento HR ou revestimento de reflectividade parcial alta (PHR) nas facetas, nos quais potência dissipada tão baixa quanto 1,2 W a 22 °C e 0,83 W a 25 °C foram demonstradas por A. C. Richard et al. e Y. Bai et al., respectivamente. Estes métodos também poderiam ser aplicados a dispositivos DFB. Em 2014, Ryan M. Briggs et al. relataram QCL DFB de modo único emitindo a 4,8 µm com consumo de potência de limiar CW de 0,76 W e potência óptica máxima de cerca de 17 mW a 20 °C. Em 2015, A. Bismuto et al. demonstraram QCLs DFB de modo único de cavidade curta e crista estreita emitindo a 4,5 µm com potência dissipada de limiar CW tão baixa quanto 0,5 W a 20 °C. A potência óptica máxima é cerca de 150 mW; contudo, potência elétrica injetada é mais de 6 W. Outros métodos como otimização de dopagem e estrutura ativa de baixo período também foram investigados. Para QCLs de emissão lateral, revestimento HR comumente depositado na faceta traseira deixando faceta frontal sem revestimento ou com revestimento PHR para reduzir perda de espelho mantendo potência óptica emitida da faceta frontal. Em vez disso, ambas facetas podem ser revestidas com HR para emissão pelo substrato para diminuir ainda mais perda de espelho já que luz emitida do substrato em vez de faceta frontal. Além disso, distribuições de campo distante melhoradas podem ser esperadas de QCLs de emissão pelo substrato. De acordo com nosso trabalho recente, QCL DFB de emissão pelo substrato com baixa dissipação de potência de limiar de 1,27 W a 20 °C foi obtido depositando revestimento HR em ambas facetas. Região ativa na Ref [14] consiste de 40 períodos de super-rede, e tensão de limiar é cerca de 13 V. Tensão de limiar mais baixa, e assim, menor dissipação de potência de limiar pode ser esperada se número de períodos de região ativa for diminuído. Comprimento de cavidade de 1 mm também poderia ser encurtado ainda mais projetando adequadamente grade de segunda ordem enterrada para diminuir dissipação de potência de limiar.

No presente trabalho, QCL DFB de emissão pelo substrato com consumo de potência ultra-baixo foi desenvolvido. Dissipação de potência de limiar operando em modo CW é tão baixa quanto 0,4 W a 15 °C e 0,43 W a 25 °C encurtando comprimento de cavidade para 0,5 mm e depositando revestimento HR em ambas facetas. Potência óptica máxima em modo CW é 2,4 mW a 25 °C, suficiente para aplicações de espectroscopia. Emissão de modo único alcançada empregando grade de segunda ordem enterrada. Ângulos de divergência são 22,5° e 1,94° largura total na metade do máximo (FWHM) na direção da largura da crista e direção do comprimento da cavidade, respectivamente. Distribuição de campo distante de lóbulos duplos na direção do comprimento da cavidade indica que modo anti-simétrico é favorecido. Estes dispositivos operam em modo CW sem salto de modo em ampla faixa de temperatura de 15 a 105 °C e serão muito adequados em aplicações portáteis de alta integração.

Métodos

Região ativa do dispositivo baseada em desenho de ressonância dois-fônon compensado por tensão emitindo a ~4,6 µm. Wafer crescido em substrato InP n-dopado (Si, 2 × 10¹⁷ cm⁻³) por epitaxia de feixe molecular de fonte sólida (MBE). Trinta estágios de poços quânticos In₀,₆₇Ga₀,₃₃As/In₀,₃₆Al₀,₆₄As e barreiras incluídos no núcleo ativo, similar à Ref. [15]. Sequência completa de camadas: camada de revestimento inferior 1,2-µm-espessa (Si, 2,2 × 10¹⁶ cm⁻³), camada 0,3-µm-espessa n-In₀,₅₃Ga₀,₄₇As (Si, 4 × 10¹⁶ cm⁻³), 30 estágios ativo/injetor, camada 0,3-µm-espessa n-In₀,₅₃Ga₀,₄₇As (Si, 4 × 10¹⁶ cm⁻³), e camada de guia de onda superior. Para fabricar grade enterrada, camada de revestimento de guia de onda superior removida até camada InGaAs superior. Grade de segunda ordem com período Λ = 1,42 µm (ciclo de trabalho σ = 0,45, profundidade d = 130 nm) definida na camada 0,3-µm-espessa InGaAs superior por tecnologia de litografia holográfica e ataque químico úmido. Figura 1a mostra imagem de microscópio eletrônico de varredura (MEV) da grade de segunda ordem enterrada. Após isso, camada 3-µm-espessa InP baixo-dopado (Si, 2,2 × 10¹⁶ cm⁻³) seguida por camada 0,15 µm InP gradualmente dopado (Si, de 1 × 10¹⁷ a 3 × 10¹⁷ cm⁻³) e camada 0,4-µm InP de revestimento alto-dopado (Si, 5 × 10¹⁸ cm⁻³) realizadas em sequência como revestimento superior por epitaxia de fase de vapor organometálico (MOVPE).

Após implementação do recrescimento, wafer atacado em estrutura de guia de onda de duplo canal com largura média de núcleo 7 µm. Então, SiO₂ 450-nm-espesso depositado por deposição química de vapor aprimorada por plasma (PECVD) para isolamento. Janela de injeção de elétrons 2-µm-larga padronizada em camada SiO₂ da crista, e contato elétrico fornecido por camada Ti/Au. Para melhor dissipação de calor, camada Au 4-µm-espessa adicional eletrodepositada. Antes do clivagem real, simulações massivas para desenho da grade de segunda ordem enterrada implementadas com software de método de elementos finitos (COMSOL), similar à Ref. [16]. Após afinamento a 150 µm, guia de onda clivado em dispositivos 0,5- e 1-mm-longos, correspondendo a força de acoplamento de 0,54 ~ 1,77 e 1,08 ~ 3,55, respectivamente. Então, ambas facetas destes dispositivos revestidas com HR por evaporação por feixe de elétrons. Revestimento HR consistiu de Al₂O₃/Ti/Au/Al₂O₃ (200/10/100/120). Dispositivos montados epi-camada para baixo em dissipadores de calor cobre com solda índio, e então, wire bonded a pad de contato externo.

Teste de dispositivo feito em estágio cooler termo-elétrico (TEC) com termistor regulando e monitorando temperatura do dissipador de calor. Potência de saída do QCL medida por detector termopila calibrado (Coherent, EMP1000) colocado bem na frente do dispositivo com tubo metálico coletando emissão do laser. Então, dispositivo colocado em estágio rotacional controlado por motor de passo com resolução de 0,01° para teste de distribuição de campo distante e detector HgCdTe a temperatura ambiente (Vigo, PVMI-10.6) colocado na frente do laser com distância de 30 cm para detectar radiação. Medida de espectros realizada usando espectrômetro infravermelho de transformada de Fourier (FTIR) (Thermo Fisher Scientific, Nicolet 8700) com resolução de 0,25 cm⁻¹ em modo de varredura rápida.

Resultados e Discussão

Resultado simulação COMSOL mostrado como Fig. 1b. Segundo cálculo, coeficiente de acoplamento |κ| = 35,5 ~ 10,75 cm⁻¹ obtido para grade enterrada com ciclo de trabalho 0,35 ~ 0,45 e profundidade de ataque 180 nm. Força de acoplamento g = |κ|L, onde L é comprimento de cavidade do QCL. Para obter emissão superficial eficiente, força de acoplamento de 1-2 sempre requerida. Para dispositivo com cavidade 1 e 0,5 mm, forças de acoplamento simuladas estão na faixa de 3,55 ~ 1,07 e 1,78 ~ 0,54 quando ciclo de trabalho é 0,35 ~ 0,45. Portanto, desenho da grade enterrada é muito essencial para dispositivo de cavidade curta.

De particular interesse é caracterização elétrica. Curva luz-corrente-tensão (L-I-V) de dispositivos com diferentes comprimentos de cavidade mostrada como Fig. 2. Lasers operaram em modo CW e temperatura do dissipador de calor regulada por controlador de temperatura (Thorlabs, ITC-QCL-4000). Como mostrado na Fig. 2a, dispositivo com cavidade 1 mm exibe corrente de limiar de 65 mA a 25 °C, correspondendo a densidade de corrente de limiar de 0,54 kA/cm² e dissipação de potência de 0,67 W. Potência óptica máxima é 8,6 mW com potência elétrica injetada de 1,66 W, e eficiência de inclinação 0,11 W/A. A alta temperatura de 65 °C, potência óptica máxima ainda mais de 5 mW. Para dispositivo de cavidade 0,5 mm, corrente de limiar e dissipação de potência diminuem para 39 mA e 0,4 W a 15 °C, como mostrado na Fig. 2b. Densidade de corrente de limiar é 0,65 kA/cm². Potência óptica máxima de 2,8 mW deduzida quando potência elétrica injetada é 0,74 W. A 25 °C, corrente de limiar ligeiramente aumentada para 41 mA, correspondendo a consumo de potência de 0,43 W. Até onde sabemos, este é o menor consumo de potência de limiar de QCLs na mesma temperatura. Potência óptica máxima deste dispositivo é 2,4 mW com dissipação de potência de 0,76 W, muito capaz para algumas aplicações de sensores de alta integração. A 35 °C, potência óptica máxima é cerca de 1,9 mW. Este dispositivo opera a temperatura tão alta quanto 105 °C em modo CW, mas potência de saída torna-se pequena e demasiado difícil de detectar com precisão. Comparado a trabalhos prévios em Ref [9,10,11], potência óptica máxima de nosso desenho não é notável por causa da baixa eficiência wall-plug do dispositivo. Isto é inerentemente limitado pela qualidade do wafer de epitaxia. Além disso, eficiência wall-plug máxima de dispositivo 0,5 mm cavidade é 0,32% a temperatura ambiente, menor que a de dispositivo 1 mm cavidade, i.e., 0,5%.

Caracterização espectral dos lasers mostrada na Fig. 3. Ambos dispositivos 1 e 0,5 mm operam em modo CW sem salto de modo dentro de ampla faixa de temperatura de 15 a 105 °C. Esta é a temperatura de trabalho mais alta em todos QCLs de baixo consumo de potência. Tal alta temperatura de trabalho principalmente beneficiada da perda de espelho reduzida trazida pelo revestimento HR nas facetas. Coeficiente de deslocamento de temperatura é -0,21 cm⁻¹/K e -0,19 cm⁻¹/K, respectivamente. Pequena diferença entre regimes espectrais dos dois dispositivos na mesma faixa de temperatura, provavelmente causada por processo de litografia e ataque não uniformes da grade. Razão de supressão de modo lateral (SMSR) do dispositivo é cerca de 25 dB. Boa capacidade de sintonia linear, modo único e alta temperatura de operação tornam estes dispositivos muito úteis em algumas aplicações reais como detecção de gás traço.

Distribuição de campo distante de dispositivo 0,5 mm mostrada na Fig. 4. Na direção da largura da crista, padrão de lóbulo único com ângulo de divergência de 22,5° (FWHM) observado, como mostrado na Fig. 4a. Figura 4b mostra padrão de campo distante na direção do comprimento da cavidade. Padrão de campo distante indica que modo anti-simétrico é favorecido, causado por não-uniformidades de clivagem manual e reflexões residuais de faceta. Modo simétrico pode ser obtido pelo uso de grade refletora de Bragg distribuída (DBR) em ambos lados da região de grade DFB para eliminar reflexões de facetas clivadas não controladas.

Conclusões

Desenvolvemos QCL DFB de emissão pelo substrato com dissipação de potência de limiar ultra-baixa de 0,43 W a 25 °C operando em modo CW encurtando comprimento de cavidade para 0,5 mm e depositando revestimento HR em ambas facetas. Sua potência óptica máxima foi 2,4 mW, e dissipação de potência correspondente 0,76 W. Emissão de modo único sem salto de modo obtida em ampla faixa de temperatura de 15 a 105 °C definindo grade DFB de segunda ordem enterrada. Ângulos de divergência são 22,5° e 1,94° na direção da largura da crista e direção do comprimento da cavidade, respectivamente. Característica de baixo consumo do dispositivo poderia torná-lo fonte de luz promissora em alguns sistemas portáteis alimentados por bateria.

Abreviações

CW:

Onda contínua

DFB:

Realimentação distribuída

FP:

Fabry-Perot

FTIR:

Infravermelho de transformada de Fourier

FWHM:

Largura total na metade do máximo

HR:

Alta reflectividade

MBE:

Epitaxia de feixe molecular

MOVPE:

Epitaxia de fase de vapor organometálico

PECVD:

Deposição química de vapor aprimorada por plasma

PHR:

Reflectividade parcial alta

QCL:

Laser quântico de cascata

MEV:

Microscópio eletrônico de varredura

SMSR:

Razão de supressão de modo lateral

TEC:

Cooler termo-elétrico