Laser DFB de Cascata Quântica Monomodo Estável a 4,76 µm Usando Revestimentos de Reflectividade de Faceta Otimizados

Resumo

Neste trabalho, lasers de cascata quântica (QCLs) baseados em compensação de tensão combinada com design de ressonância de dois fônons são apresentados. Laser de realimentação distribuída (DFB) emitindo a ~4,76 µm foi fabricado através de grade de primeira ordem enterrada padrão e processamento de heteroestrutura enterrada (BH). Emissão monomodo estável é alcançada sob todas as correntes de injeção e condições de temperatura sem qualquer salto de modo pelo revestimento antirreflexo (AR) otimizado na faceta frontal. O revestimento AR consiste em dielétrico de dupla camada de Al₂O₃ e Ge. Para cavidade de laser de 2 mm, potência de saída máxima do DFB-QCL com revestimento AR foi superior a 170 mW a 20 °C com alta eficiência wall-plug (WPE) de 4,7% em modo contínuo (CW).

Introdução

Lasers de cascata quântica de infravermelho médio (QCLs) são uma das fontes de luz mais promissoras para muitas aplicações comerciais. Estas aplicações práticas como detecção de gás, comunicação de espaço livre, e espectroscopia de alta resolução requerem QCL com alta potência, confiabilidade monomodo melhorada, e baixo custo. Como resultado, desde o primeiro DFB-QCL demonstrado em 1997, o desempenho destes dispositivos teve fortes melhorias com demonstração de operação CW a temperatura ambiente com alta potência através da região do infravermelho médio. No entanto, a maioria dos DFB-QCLs baseados em estrutura de grade enterrada teria problema de facetas clivadas aleatórias que determinam modo de frequência de lasing. Devido à mesma quantidade de perda em dois modos de borda de banda, operação monomodo estável não pode ser garantida. Especialmente sob condição de alta temperatura ou grande corrente de injeção, salto de modo sempre acontece o que é prejudicial para aplicações nestes dispositivos monomodo.

Para obter operação monomodo estável, um deslocamento de fase de quarto de onda (λ/4 PS) foi introduzido no período da grade para que o laser possa trabalhar em modo de defeito; assim, competição entre dois modos de borda de banda pode ser evitada. Mas litografia de feixe de elétrons deve ser usada para fabricação de grade λ/4 PS, que é demorada e cara. Laser DFB acoplado a ganho é boa escolha para alcançar operação monomodo estável para laser semicondutor convencional. No entanto, é irreal para QCL fazer lasers DFB acoplados a ganho por causa da grande perda causada por região ativa gravada. Outro método astuto é usar mecanismo de acoplamento de perda de cavidade para aumentar diferença de perda entre dois modos DFB. Acredita-se que revestimento de faceta com reflectividade apropriada pode alcançar operação monomodo estável mesmo em altas temperaturas e grandes correntes. Embora existam algumas pesquisas dedicadas a revestimento de faceta, elas sempre focam em formar comprimento de cavidade equivalente ótimo L_opt para preservar eficiência wall-plug (WPE) para lasers em vez de confiabilidade monomodo. Também, revestimento de reflectividade otimizado deve ser maneira promissora para resolver competitividade entre dois modos DFB e interessante para ser investigado sistematicamente.

Neste artigo, operação monomodo estável de DFB-QCLs a λ ~ 4,76 µm é apresentada após revestimento antirreflexo (AR)/alta reflexão (HR). O revestimento AR consiste em dielétrico de dupla camada de Al₂O₃ (380 nm) e Ge (33 nm). Estes dispositivos exibem densidade de corrente de limiar muito baixa de 0,65 kA/cm² a 20 °C. Emissão monomodo com razão de supressão de modo lateral (SMSR) acima de 26 dB é alcançada até temperatura de 90 °C em operação CW sem qualquer salto de modo. Acredita-se que revestimento antirreflexo na faceta frontal é muito valioso para suprimir fase aleatória de faceta de cavidade.

Métodos

Teoria e Simulação

O núcleo da simulação sobre efeito de revestimento antirreflexo em cavidade DFB finita é o cálculo de perda de modo para dois modos de borda de banda. Método de matriz de transferência seria maneira apropriada para analisar toda estrutura do laser. Consideramos aplicação deste método a dispositivos que têm perfil de índice de refração longitudinal similar ao mostrado na Fig. 1. Este desenho esquemático ilustra efeito de grade com pequena perturbação de índice efetivo diferente (n_eff,1, n_eff,2) e filmes revestidos (n₃, n₄) no modo guiado. Índices de refração complexos de materiais principais usados em cálculo são listados: InP (3,088 + i*2e−4), InGaAs (3,4 + i*2,9e−5), região ativa (3,298 + i*4e−5), InP altamente dopado (2,81 + i*1,4e−2), SiO₂ (1,3603 + i*6,3e−4), Au (1,341 + i*32,582), Al₂O₃ (1,5348 + i*3,2967e−3), e Ge (4,0165 + i*4e−2). Então, diferentes índices efetivos n_eff,1 = 3,1599 + i*5,17e−5 e n_eff,2 = 3,1662 + i*5,6756e−5 foram calculados com COMSOL através de função de equação diferencial parcial (PDE). Assume-se que laser opera em modo transversal único para que características de propagação de luz em cada ponto ao longo da cavidade do laser são descritas por quantidade complexa escalar única, k, que é vetor de onda do meio. Considera-se ainda que laser é linearmente polarizado e seu campo elétrico associado tem dependência temporal senoidal e^{iωt}. Seguindo estas assunções, um fator de onda eletromagnética plana unidimensional E_z, que descreve parte de variação especial de função de onda, satisfaz equação de Helmholtz:

$$ \frac{\partial^2{E}_{\mathrm{z}}}{\partial {z}^2}+{K}^2\left(\mathrm{z}\right){E}_{\mathrm{z}}=0 $$ (1)

K(z) é dado por:

$$ K\left(\mathrm{z}\right)=\frac{\omega }{c}\cdot n\left(\mathrm{z}\right)=k\cdot n\left(\mathrm{z}\right)=\left({k}_{\mathrm{r}}+{ik}_{\mathrm{i}}\right)\cdot n\left(\mathrm{z}\right) $$ (2)

onde ω e c são respectivamente frequência angular e velocidade da luz e n(z) é índice de refração complexo em cada ponto ao longo da cavidade do laser. Vetor de onda k que precisa ser resolvido pode ser dividido em duas partes: k_r e k_i. Parte real k_r determina comprimento de onda da luz na cavidade do laser, enquanto parte imaginária k_i origina-se da perda de modo da cavidade finita contabiliza atenuação. Da Fig. 1, pode-se ver que laser pode ser considerado dispositivo multi-seção com 2N + 2 seções onde N é período da grade. Em cada uma destas seções, campo elétrico E_n(z) é combinação linear de duas ondas planas exponenciais contrapropagantes onde uma decresce com amplitude complexa A_n e outra cresce com B_n. Equação é descrita como:

$$ {E}_{\mathrm{n}}\left(\mathrm{z}\right)={A}_{\mathrm{n}}\exp \left(-{iK}_{\mathrm{n}}\mathrm{z}\right)+{B}_{\mathrm{n}}\exp \left({iK}_{\mathrm{n}}\mathrm{z}\right) $$ (3)

No total, existem 2N + 3 interfaces. Em cada uma destas interfaces, tanto campo elétrico quanto sua derivada em relação à direção de propagação devem ser iguais em ambos lados da interface. Equação é obtida como:

$$ \left[\begin{array}{c}{E}_{2N+3}\left(\mathrm{z}\right)\\ {}{E^{\hbox{'}}}_{2N+3}\left(\mathrm{z}\right)\end{array}\right]=\prod \limits_{n=0}^{2N+2}M\left({d}_n\right)\left[\begin{array}{c}{E}_0\left(\mathrm{z}\right)\\ {}{E^{\hbox{'}}}_0\left(\mathrm{z}\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{\mu}_{11}& {\mu}_{12}\\ {}{\mu}_{21}& {\mu}_{22}\end{array}\right]\cdot \left[\begin{array}{c}{E}_0\left(\mathrm{z}\right)\\ {}{E^{\hbox{'}}}_0\left(\mathrm{z}\right)\end{array}\right] $$ (4)

Matriz de transferência M(d_n) é dada por:

$$ M\left({d}_n\right)=\left[\begin{array}{cc}\cos \left({kn}_n{d}_n\right)& \frac{1}{kn_n}\sin \left({kn}_n{d}_n\right)\\ {}-{kn}_n\sin \left({kn}_n{d}_n\right)& \cos \left({kn}_n{d}_n\right)\end{array}\right] $$ (5)

Considerando que laser bombeado eletricamente é dispositivo auto-oscilante, não existem ondas incidentes de fora do dispositivo. Isso resulta na condição de contorno B₀ = A_{2N+3} = 0, e equação vira:

$$ f= ik{\mu}_{11}+{\mu}_{12}{k}^2-{\mu}_{21}+ ik{\mu}_{22}=0 $$ (6)

Cada valor do vetor de onda k pode ser obtido com auxílio do Matlab através da Eq. (6). Partes imaginárias k_i correspondentes a perdas dos modos de cavidade ajudariam a analisar efeitos de revestimento AR.

Figura 2a demonstra resultados calculados baseados em simulação de matriz de transferência. Como as duas curvas vermelhas mostram, perda de modo de alta frequência muda muito lentamente com diminuição da reflectividade enquanto modo de baixa frequência aumenta abruptamente. O inseto mostra perfil de modo calculado para modos de baixa e alta frequência, para um único período da grade. Como plotado, modo de baixa frequência tem maior magnitude de campo elétrico nos picos da grade que é parte de índice mais alto da grade, e também, modo de alta frequência é mais concentrado na parte de índice mais baixo da grade. Para modelo de cavidade infinita sem reflectividade de faceta, modo de alta frequência sempre tem menor perda de modo que modo de baixa frequência. Se efeito de espelhos de faceta final pudesse ser ignorado, então modo de alta frequência com menores perdas de guia de onda sempre laser. No entanto, presença de espelhos de faceta final dá reflexões que interferem construtiva ou destrutivamente com modos DFB na cavidade do laser. Esta interferência afeta perda de cavidade de grade finita de cada modo e pode determinar qual modo lasa. Notamos que efeito dos espelhos é maior quando posição de ambos espelhos coincidem com pico em amplitude de campo elétrico de um modo DFB, que é também quando espelhos estão em nó para o outro modo DFB. Aqui, espelhos para faceta não revestida coincidem com pico de modo de baixa frequência, e então, reflexões dos espelhos finais interferem construtivamente maximamente com modo presente na cavidade do laser. Isso resulta em perda de modo total diminuída, devido à contribuição construtiva do espelho. À medida que reflectividade diminui e influências adicionais de deslocamento de fase pelo uso de revestimento AR de dupla camada, perda de modo de baixa frequência aumenta gradualmente com diminuição da reflectividade devido a efeito de interferência enfraquecido e perda de espelho aumentada. Enquanto isso, perda de modo de alta frequência mudou pouco devido a efeito de interferência aprimorado. Isso resulta em que Δ perda de modo performa similar a função exponencial especialmente quando reflectividade de faceta frontal é < 0,15. Segundo simulação, existe apenas um ponto mínimo dentro de todo espectro quando reflectividade de faceta frontal é < 0,11, o que significa que salto de modo não pode acontecer em teoria porque perda de outro modo de borda de banda é muito alta para lasar.

Figura 2b mostra três espectros típicos de perda de modo durante simulação onde modos de alta e baixa frequência são 4,762 e 4,779 µm respectivamente. Primeiro é DFB-QCL sem revestimento AR. Podemos ver stopband originado do realimentação de grade claramente, e dois modos de borda de banda são quase iguais. Segundo é revestimento AR específico com 200 nm Al₂O₃ e 5 nm Ge com reflectividade de 0,22. Diferencial entre dois modos de borda de banda começa a ser óbvio. Último mostra que com revestimento de reflectividade mais baixa, Δ perda de modo é tão grande que modo de baixa frequência submerge sob perda de stopband. Embora reflectividade mais baixa, maior Δ perda de modo em teoria, também devemos considerar que reflectividade extremamente baixa causa enorme perda de espelho em dispositivos que faria WPE cair abruptamente. Isso é um trade-off para escolher espessura de filme baseada em experimento.

Fabricação do Dispositivo

Wafer QCL foi crescido em substrato InP n-dopado (Si, 3 × 10¹⁷ cm⁻³) por epitaxia de feixe molecular de fonte sólida (MBE) baseada em design de ressonância de dois fônons. Núcleo ativo inclui 40 estágios de poços quânticos e barreiras In₀,₆₆₉Ga₀,₃₃₁As/In₀,₃₆₂Al₀,₆₃₈As compensados por tensão, similares a Ref. [18]. Sequência de camadas foi: camada de revestimento InP inferior de 2 µm (Si, 2,5 × 10¹⁶ cm⁻³), camada In₀,₄₇Ga₀,₅₃As de 0,3 µm (Si, 4 × 10¹⁶ cm⁻³), 40 estágios ativos/injetores, camada In₀,₄₇Ga₀,₅₃As de 0,3 µm (Si, 4 × 10¹⁶ cm⁻³), camada de revestimento InP superior de 3 µm (Si, 2,5 × 10¹⁶ cm⁻³), e camada de revestimento InP altamente dopada de 0,7 µm (Si, 5 × 10¹⁸ cm⁻³). Nível médio de dopagem de região ativa foi empiricamente ajustado a 2,4 × 10¹⁶ cm⁻³. Para fabricar grade enterrada, revestimento superior foi removido até camada InGaAs superior. Grade DFB de primeira ordem com período Λ = 0,755 µm (ciclo de trabalho σ = 20%) foi definida na camada InGaAs superior de 300 nm usando técnica litográfica holográfica e subsequentemente gravada a profundidade de cerca de 90 nm por gravação química úmida. Então, camada InP de 3 µm baixa dopagem (Si, 2,5 × 10¹⁶ cm⁻³) seguida por camada InP de 0,2 µm dopagem gradual (mudando de 1 × 10¹⁷ cm⁻³ a 3 × 10¹⁷ cm⁻³) e camada de contato InP de 0,5 µm (5 × 10¹⁸ cm⁻³) foram realizadas em sequência como revestimento superior por epitaxia de fase vapor orgânica metálica (MOVPE).

Seguindo implementação do padrão de grade e recrescimento, epi-wafer foi gravado em cristas de 10 µm de largura, e então guias de onda foram reintroduzidos no sistema MOVPE e enterrados em InP semi-isolante (Fe). Camada SiO₂ de 450 nm foi depositada por deposição química de vapor aprimorada por plasma (PECVD) para isolamento ao redor da crista, e contato elétrico foi fornecido por camada Ti/Au. Camada de ouro adicional de 5 µm foi subsequentemente eletrodepositada para melhorar ainda mais dissipação de calor. Guias de onda foram clivados em barras de 2 mm de comprimento, e testes foram realizados em dispositivos com revestimentos de faceta de reflectividade otimizados. Ambos revestimento HR de faceta traseira consistindo de Al₂O₃/Ti/Au/Ti/Al₂O₃ (400/5/100/10/200 nm) e revestimento AR de faceta frontal consistindo de Al₂O₃/Ge (380/33 nm) são depositados por evaporação e-beam. Reflectividade calculada de faceta frontal é 3,4% para comprimento de onda 4,76 µm, e relação detalhada entre flutuação de espessura de revestimento e reflectividade foi discutida em nosso artigo publicado anteriormente [19]. Lasers foram montados lado epilayer para baixo em dissipadores de calor SiC com solda de índio e então wire bonded a pad de contato externo. Para caracterização espectral e elétrica, lasers são montados em elemento Peltier e temperatura foi monitorada no dissipador de calor com termistor.

Resultados e Discussão

Figura 3 mostra espectros de emissão sub-limiar dinamicamente mudados de eletroluminescência para lasing com corrente crescente medida com FTIR Bruker Vertex 70 e detector HgCdTe resfriado a nitrogênio. Espectro laser logo acima do limiar indica que dispositivo opera no modo fundamental e podemos claramente obter stopband do modo fundamental quando corrente é 285 mA. Da largura de stopband Δν = 3,076 cm⁻¹ e índice efetivo n_eff = 1/(2νΛ) = 3,153, calculamos coeficiente de acoplamento κ = Δν·π·n_eff = 30,4 cm⁻¹, resultando para nossa cavidade de 2 mm com revestimento HR em produto de acoplamento κL de 12,1, que corresponde bem com nossa fabricação de dispositivo. Produto de κL muito maior que investigação teórica prévia κL ≈ 1 indica que esquema de sobre-acoplamento é obtido, o que é benéfico para assegurar modo único dentro de toda faixa de corrente e temperatura examinada.

Figura 4a mostra curva típica CW potência-corrente-tensão (P-I-V) do laser DFB a diferentes temperaturas de dissipador de calor entre 20 e 90 °C. Potência de saída atinge 200 mW para dispositivo de 2 mm com densidade de corrente de limiar muito baixa de 0,65 kA/cm² a 20 °C. Tensão de limiar (V_th) de 13,2-14,2 V foi medida sobre faixa de temperatura 20-90 °C. Vale notar que salto de modo só existe em temperaturas de dissipador de calor abaixo de 60 °C que pode ser facilmente deduzido da curva P-I. Alta temperatura de dissipador de calor contribuiria com acumulação de calor mais severa no núcleo do laser para que efeito térmico restringiu outro modo lasing e salto de modo não ocorreria. Figura 4b mostra curva P-I-V do laser DFB que revestimento antirreflexo (AR) foi depositado em sua faceta frontal, e escolhemos reflectividade de revestimento AR de 3,4%. Cada curva P-I suave indica que não existe salto de modo em toda faixa de temperatura medida. Figuras 4c, d mostram espectros de lasing em diferentes correntes de 150 a 250 mA com passo de 25 mA. É óbvio da Fig. 4d que alcançamos modo único estável em diferentes correntes com revestimento AR de faceta otimizado em vez de salto de modo na Fig. 4c. Frequência sempre mantém relação linear com corrente de injeção, e coeficiente de sintonização de corrente Δν/ΔI = −0,024 cm⁻¹ mA⁻¹ prova que revestimento AR é método simples e eficiente para resolver problema de salto de modo em DFB-QCLs.

Figura 5 mostra espectros de emissão do laser revestido a diferentes temperaturas de dissipador de calor de 20 a 90 °C. Medidas foram realizadas usando espectrômetro FTIR NICOLET 8700 com resolução 0,25 cm⁻¹ em modo de varredura rápida. Emissão de modo longitudinal único é observada entre toda faixa de temperatura investigada com razão de supressão de modo lateral (SMSR) 26 dB em alta temperatura de 90 °C. Como mostrado no inseto da Fig. 5, pico de espectro de emissão foi observado deslocar de 2100,4 cm⁻¹ a 20 °C para 2088,6 cm⁻¹ a 90 °C, correspondendo a coeficiente de sintonização de temperatura Δν/ΔT = −0,168 cm⁻¹ K⁻¹. Boa sintonização linear indicou que nenhum salto de modo aconteceu durante mudança de temperatura de dissipador de calor. Além disso, todos dispositivos mencionados exibem modo lateral far-field dominante único sob operação CW no modo fundamental devido a controle preciso de largura de crista.

WPE CW foi calculado e plotado como função do consumo de potência elétrica de entrada na Fig. 6. A 20 °C, WPE máximo de 4,7% foi obtido em torno de 240 mA com potência de saída de 170 mW. WPE máximos ainda foram 2,9 e 0,8% a 50 e 90 °C respectivamente. Até hoje, estes valores ainda eram muito altos para DFB-QCLs de limiar baixo devido à nossa alta qualidade de material e revestimento de faceta de reflectividade otimizado. Acredita-se que WPE pode ser ainda melhorado por seleção otimizada de comprimentos de cavidade do laser considerando efeito de revestimento.

Conclusões

Demonstramos operação CW a temperatura ambiente de DFB-QCLs monomodo a λ ~ 4,76 µm. Depositando revestimento AR consistindo de dielétrico de dupla camada Al₂O₃ e Ge na faceta frontal, modo único estável sem qualquer salto de modo sob todas as correntes e condições de temperatura foi realizado com sucesso. A 20 °C, potência de saída CW tão alta quanto 170 mW foi observada com densidade de corrente de limiar muito baixa de 0,65 kA/cm². Tais dispositivos representam passo importante rumo ao uso de operação monomodo estável de DFB-QCLs na faixa espectral do infravermelho médio para aplicações práticas.

Abreviações

AR:

Antirreflexo

BH:

Heteroestrutura enterrada

CW:

Onda contínua

DFB:

Realimentação distribuída

HR:

Alta reflexão

MBE:

Epitaxia de feixe molecular

MOVPE:

Epitaxia de fase vapor orgânica metálica

PDE:

Equação diferencial parcial

PECVD:

Deposição química de vapor aprimorada por plasma

P-I-V:

Potência-corrente-tensão

QCL:

Laser de cascata quântica

SMSR:

Razão de supressão de modo lateral

V_th:

Tensão de limiar

WPE:

Eficiência wall-plug

λ/4 PS:

Deslocamento de fase de quarto de onda