Saltos de Modo Incomuns de Curto Comprimento de Onda em Lasers Quânticos em Cascata DBR de Alta Potência

Resumo

Relatamos saltos de modo incomuns de curto comprimento de onda em lasers quânticos em cascata (QCL) com refletor de Bragg distribuído (DBR) emitindo próximo a 7,6 µm. Dispositivos de duas seções — ganho e seção de Bragg não bombeada — entregam >0,6 W CW à temperatura ambiente. Contrário ao desvio convencional para comprimento de onda longo com aumento de temperatura ou corrente de injeção, o modo de lasing ocasionalmente salta para comprimento de onda mais curto. Análise modal mostra que mudanças de índice de refração induzidas por temperatura deslocam modos longitudinais mais rápido que o pico de Bragg, levando às transições observadas.

Introdução

Lasers quânticos em cascata diferem de lasers semicondutores convencionais por operarem em transições intersubbanda dentro da banda de condução, permitindo emissão no infravermelho médio a longo. Sua ampla cobertura espectral os torna indispensáveis para detecção de gases, espectroscopia de alta resolução e monitoramento industrial. No entanto, muitas aplicações requerem linha estreita e alta potência de saída. QCLs de realimentação distribuída (DFB) e cavidade externa (EC) tipicamente fornecem operação monomodo mas limitados a ~100 mW de saída e faixa de sintonia estreita. Um QCL DBR oferece plataforma compacta para emissão monomodo de alta potência, mas comportamento espectral detalhado foi subexplorado. Aqui, apresentamos QCLs DBR e investigamos saltos de modo anômalos em profundidade.

Métodos

A grade DBR foi definida via interferometria holográfica de duplo feixe. O dispositivo compreende seção de ganho (L_G), seção DBR (L_DBR) e sulco de isolamento de corrente. Núcleo do QCL foi crescido em n‑InP por MBE de fonte sólida, usando 50 poços quânticos In₀,₅₈Ga₀,₄₂As/In₀,₄₇Al₀,₅₃As compensados por tensão (ver sequência de espessura na fonte). Camada de 100 nm SiO₂ foi depositada sobre camada de confinamento superior; região DBR foi gravada a profundidade de ~130 nm, seguida por remoção de SiO₂. Guia de ondas superior foi regenerado por MOVPE, resultando em revestimento superior InP de 3 µm, camada InP graduadamente dopada de 0,15 µm e camada de contato InP altamente dopada de 0,85 µm. Wafer processado em guia de ondas de crista de duplo canal (largura do núcleo ≈10 µm) com InP:Fe semi‑isolante para isolamento térmico e elétrico. Sulco de isolamento de corrente de 200 µm (profundidade 1,1 µm) separou seções de ganho e DBR. Após isolamento SiO₂, contatos Ti/Au foram depositados e camada de Au de 5 µm eletrodepositada para dissipação de calor. Dispositivos (6 mm longos) foram clivados para 4,3 mm ganho, 1,5 mm DBR e 0,2 mm regiões de isolamento, então soldados lado epí‑para‑baixo em dissipador de diamante e suporte de cobre.

Resultados e Discussão

Espectros de emissão registrados com espectrômetro infravermelho de transformada de Fourier (resolução 0,125 cm⁻¹). Características P‑I‑V medidas com detector termopilha calibrado. Laser montado em suporte equipado com termistor e cooler termoelétrico para controlar temperatura do sub‑suporte. Figura 2a mostra espectros CW a 1,005 I_th enquanto temperatura do dissipador variou de 20 °C a 70 °C em passos de 2 °C. Inserção da Figura 2b plota espectro a 24 °C em escala logarítmica, revelando razão de supressão de modo lateral (SMSR) de ≈25 dB. Diferente de QCLs DFB convencionais, que deslocam para comprimentos de onda maiores linearmente com temperatura ou corrente, nossos dispositivos DBR exibem saltos de modo anômalos para comprimento de onda curto conforme temperatura sobe. Para explicar, examinamos mecanismo de seleção de modo. Figura 3a exibe curva de ganho medida do wafer e perfil de reflexão de Bragg calculado (98 % refletividade para grade de 1,5 mm). Esquema na Figura 3b mostra como ganho, pico de Bragg e modos longitudinais deslocam com temperatura. Pico de ganho move a −0,581 cm⁻¹ K⁻¹, enquanto pico de Bragg desloca a −0,128 cm⁻¹ K⁻¹. Como pico de Bragg permanece no lado de comprimento de onda curto do ganho, os modos longitudinais, que seguem mudança de índice de refração, eventualmente movem‑se mais rápido que o pico de Bragg, forçando salto de modo para próximo modo longitudinal disponível. Isso explica saltos anômalos observados. Espaçamento de modo longitudinal calculado a partir do comprimento efetivo da cavidade: L_eff = (1/2κ) tanh(κL_DBR), onde κ = (1/Λ)(Δn̄/n̄). Para DBR físico de 1,5 mm, L_eff ≈ 0,291 mm, resultando em espaçamento teórico de 0,328 cm⁻¹, em excelente concordância com intervalos experimentais de 0,12 cm⁻¹ observados. Figura 5 ilustra mesmo fenômeno com aumento de corrente de injeção. Primeiro salto anômalo abrange 0,904 cm⁻¹ (cruzando três modos), seguido por salto de 0,301 cm⁻¹. Curva P‑I mostra descontinuidades claras em cada salto, comportamento ausente em QCLs DFB padrão. Figura 6 compara laser DBR com laser Fabry‑Perot (FP) de 4 mm. FP atinge 987 mW, enquanto DBR alcança 656 mW a 20 °C e 235 mW a 70 °C, a maior potência monomodo relatada para QCLs de infravermelho longo. Distribuições de campo óptico simuladas (Figura 6b) revelam que DBR mantém alta intensidade na seção de ganho enquanto atenua rapidamente na DBR, permitindo operação de cavidade longa sem super‑acoplamento — vantagem sobre lasers DFB.

Conclusões

Demonstramos QCLs DBR de alta potência com >0,6 W saída CW à temperatura ambiente. Análise detalhada de saltos de modo anômalos de curto comprimento de onda fornece insight sobre dinâmica de seleção de modo de dispositivos DBR. Arquitetura DBR permite operação monomodo de cavidade longa com extração de potência superior, posicionando‑a como plataforma promissora para aplicações de laser de alta potência no infravermelho médio.