Demostración de modo único estable y de alta potencia en un láser de cascada cuántica utilizando rejilla de muestreo enterrada

un La distribución del campo óptico correspondiente de la estructura de rejilla uniforme para los cuatro tipos de posiciones de las facetas finales escindidas de I, II, III y IV. b , c La amplificación de la distribución del campo óptico cerca de las dos facetas finales

Aquí tomamos una medida de la estructura de la rejilla de muestreo para mejorar la distribución de la intensidad óptica en función del período de muestreo de P =15 μm y una longitud de bloque de u =5 μm correspondiente al ciclo de trabajo de muestreo de σ = u / P =1/3, que se muestra en la Fig. 3a. La línea de puntos vertical de la figura 3a representa la posición de la faceta dividida, que se desvía de la región del bloque para evitar la introducción de la fase aleatoria de la faceta final. El correspondiente coeficiente de acoplamiento efectivo κ _ef se puede dar simplemente por el producto del coeficiente de acoplamiento κ de la rejilla uniforme multiplicada por el ciclo de trabajo σ de la rejilla de muestreo, es decir, κ _ef = κ × σ [dieciséis]. Por lo tanto, el coeficiente de acoplamiento de la rejilla de muestreo podría ajustarse arbitrariamente por el ciclo de trabajo de la rejilla de muestreo, lo que beneficia a optimizar la fuerza de acoplamiento de la rejilla de muestreo. Como resultado, se podría mejorar la potencia de salida. La Figura 3b muestra el espectro de transmisión calculado de la rejilla muestreada basado en el método de la matriz de transferencia y el espectro de electroluminiscencia (EL) medido en condiciones pulsadas. El λ ₋₁ y λ ₊₁ son los súper modos adicionales introducidos por la rejilla muestreada. La distancia espectral adyacente de los supermodos se puede calcular mediante Δ λ = λ _B ² / (2 n _ef P ) donde n _ef es el índice efectivo de la guía de ondas y λ _B es la longitud de onda de Bragg de la rejilla uniforme básica [17]. Aunque la existencia de supermodos puede influir en la estabilidad de un solo modo, los supermodos se pueden diseñar lejos del centro de la curva de ganancia eligiendo un período de muestreo pequeño P según la fórmula de la distancia espectral de los supermodos. En nuestro estudio, el período básico de rejilla de Bragg Λ , período de muestreo P , índice efectivo de la guía de ondas n _ef y ciclo de trabajo σ son 0,758 μm, 15 μm, 3,21 y 1/3, respectivamente, por lo que la distancia espectral adyacente de los supermodos es de alrededor de 246 nm. Como muestra la Fig. 3b, la longitud de onda de Bragg (orden 0) está diseñada alrededor del pico de la curva de ganancia, mientras que las longitudes de onda de + 1º y - 1º orden están a 246 nm del centro de la curva de ganancia por separado. Finalmente, en nuestro estudio se puede lograr el láser monomodo estable en el modo de orden 0. La figura 4a muestra la distribución del campo óptico simulado de la rejilla de muestreo a diferentes corrientes de inyección. Como puede verse, ha habido una mejora espectacular en la distribución de la intensidad del campo óptico para la estructura de rejilla de muestreo en las dos facetas de los extremos, lo que corresponde a una mejora importante en la potencia de salida. La figura 4b es una amplificación de la distribución del campo óptico cerca de una de las caras de los extremos, y la figura 4c muestra la variación detallada de la intensidad del campo óptico en la cara de los extremos con las corrientes de inyección. Como se muestra en la Fig. 4b, el perfil de la distribución del campo óptico no es uniforme sino fluctuante. La fluctuación es causada por la "reflexión de la interfaz" entre la región del bloque y la región sin rejilla en cada período de muestreo que induce una concentración de densidad de energía "localizada" a lo largo de la cavidad. Además, como se muestra en la Fig. 4c, la variación de la distribución de intensidad relativa de la faceta final no es lineal con las corrientes de inyección, lo que puede causar una falta de linealidad en la curva de potencia-corriente de los dispositivos.

un El diagrama de la estructura de la rejilla de muestreo, la línea de puntos vertical representa la posición de la faceta dividida, P es el período de muestreo y u es la longitud de la región de rejilla en un período de muestreo. b La línea azul es el espectro de transmisión calculado de la rejilla muestreada diseñada y la línea roja es el espectro de electroluminiscencia medido de la oblea fabricada

un La distribución del campo óptico simulado de la rejilla de muestreo a diferentes corrientes de inyección. b La amplificación de la distribución del campo óptico cerca de una de las facetas finales. c La variación detallada de la intensidad relativa del campo óptico en la faceta final con las corrientes de inyección

La estructura de QCL se hizo crecer en un n-InP (Si, 2 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ ) sustrato por epitaxia de haz molecular de fuente sólida (MBE). El núcleo activo constaba de 40 etapas de In _0.67 con compensación de deformación Ga _0,33 Como / en _0.37 Al _0,63 Como pozos cuánticos y barreras que proporcionan el canal de transición de electrones para producir fotones, que estaba rodeado por las capas de confinamiento de InGaAs superior e inferior. La rejilla se definió en la capa superior de confinamiento de InGaAs utilizando una técnica de litografía holográfica de doble haz combinada con litografía óptica convencional. Luego, la capa superior de la guía de ondas se hizo crecer mediante epitaxia en fase de vapor orgánico metálico (MOVPE). Después de eso, la oblea se procesó en un láser de guía de ondas de cresta de doble canal con un ancho de núcleo promedio de aproximadamente 10 μm de relleno con InP:Fe semiaislante para una eliminación eficiente del calor. Un SiO ₂ de 450 nm de espesor A continuación, se depositó la capa mediante deposición química en fase vapor mejorada con plasma (PECVD) para el aislamiento, y se proporcionó contacto eléctrico mediante una capa de Ti / Au depositada por evaporación por haz de electrones. Se galvanizó una capa de oro adicional de 5 μm de espesor para mejorar la disipación de calor. Después de adelgazar hasta aproximadamente 140 µm, se depositó una capa de contacto de metal Ge / Au / Ni / Au en el lado del sustrato. Luego, las guías de ondas se dividieron en barras de 4 mm y 6 mm de largo, y el revestimiento de alta reflectividad (HR) consistió en Al ₂ O ₃ / Ti / Au / Al ₂ O ₃ (200/10/100/120 nm) se depositó en una de las facetas mediante evaporación por haz de electrones, dejando una faceta sin recubrir para la medición del poder de emisión de los bordes. Por último, los láseres se montaron con la depiladora hacia abajo en un disipador de calor de diamante con una soldadura de indio, que posteriormente se soldaron en disipadores de calor de cobre para una disipación de calor eficaz.

Resultados y discusión

Los espectros de los dispositivos se probaron con un espectrómetro de infrarrojos por transformada de Fourier con una resolución de 0,25 cm ⁻¹ . Luego, los láseres se montaron en un soporte que contenía un termistor combinado con un enfriador termoeléctrico para monitorear y ajustar la temperatura del submontaje. La potencia óptica emitida se midió con un detector de termopila calibrado colocado frente a la faceta del láser sin ninguna corrección.

Las Figuras 5 y 6 muestran los espectros de emisión y las características de luz-corriente-voltaje (L-I-V) de los dispositivos con QCL DFB de rejilla muestreada de 4 mm y 6 mm de longitud de cavidad, respectivamente. Como se ha visto, los espectros varían linealmente con la corriente de inyección o la temperatura durante todos los procesos de prueba. En el modo CW, la potencia óptica máxima de los dispositivos es de 649 mW y 948 mW a 20 ° C para una cavidad de 4 mm y 6 mm de longitud a 1,2 A y 1,4 A, respectivamente. Además, la baja densidad de corriente de umbral de CW de los dispositivos de 1,59 kA / cm ² y 1,05 kA / cm ² a 20 ° C para una cavidad de 4 mm y 6 mm de longitud, lo que refleja plenamente la ventaja de una pequeña pérdida de guía de ondas y una baja densidad de corriente de umbral de la rejilla enterrada. Como hemos observado a partir de los espectros láser, el modo láser es lineal con los cambios de temperatura o corriente de inyección, lo que indica que el salto de modo no ocurre en el curso del cambio de corriente o temperatura de inyección. Sin embargo, las curvas de potencia-corriente no son lineales, lo cual es causado por las fluctuaciones de la distribución del campo óptico de la estructura de rejilla de muestreo y el cambio no uniforme de la intensidad del campo óptico de las facetas terminales con las corrientes de inyección analizadas anteriormente.

un Espectros de emisión CW monomodo de un DFB QCL de rejilla muestreado con una longitud de cavidad de 4 mm a corrientes de aproximadamente 1,1 × I _th para diferentes temperaturas del disipador de calor de 15 a 70 ° C. El recuadro muestra los espectros de emisión de CW a diferentes corrientes de inyección de 0,63 a 1,08 A con un paso de 0,05 A a 20 ° C. b Características de luz-corriente-voltaje CW (L-I-V) de la rejilla de muestreo DFB QCL con una longitud de cavidad de 4 mm a diferentes temperaturas

un Espectros de emisión CW monomodo de un DFB QCL de rejilla muestreado con una longitud de cavidad de 6 mm a corrientes de alrededor de 1,1 × I _th para diferentes temperaturas del disipador de calor de 15 a 70 ° C. El recuadro muestra los espectros de emisión de CW a diferentes corrientes de inyección de 0,63 a 1,38 A con un paso de 0,05 A a 20 ° C. b Características de luz-corriente-voltaje (L-I-V) de CW de la rejilla DFB QCL muestreada con una longitud de cavidad de 6 mm a diferentes temperaturas.

La Figura 7 muestra los perfiles de campo lejano del dispositivo en operación pulsada alrededor de 1.25 × I _th a temperatura ambiente. La figura 7a muestra el perfil de campo lejano a lo largo de la dirección del ancho de la cresta, y la figura 7b muestra el perfil de campo lejano a lo largo de la dirección de crecimiento epitaxial. Los estudios experimentales demostraron que un modo transversal fundamental podría convertirse más fácilmente en el modo láser en una estructura de rejilla enterrada que en una estructura de rejilla metálica de superficie porque la pérdida del modo transversal fundamental aumenta debido al acoplamiento entre el modo transversal fundamental y el contacto superior del metal en una superficie. estructura de rejilla metálica [6]. De acuerdo con eso, el perfil de campo lejano del modo transversal fundamental con el ancho completo a la mitad del máximo (FWHM) de 28.2 ° a lo largo de la dirección del ancho de la cresta se obtuvo en nuestro experimento. Entonces, se muestra otra ventaja obvia de la conformación de rejilla enterrada que el modo láser es generalmente un modo transversal fundamental con un perfil de campo lejano de un solo lóbulo, que está a favor de la colimación. Además, se obtiene una gran FWHM de 50,1 ° a lo largo de la dirección de crecimiento epitaxial debido a la pequeña apertura de emisión que es del mismo orden que la longitud de onda.

un El perfil de campo lejano a lo largo de la dirección del ancho de la cresta. b El perfil de campo lejano a lo largo de la dirección de crecimiento epitaxial

Conclusiones

En conclusión, se han logrado QCL DFB de rejilla de muestreo de emisiones monomodo estable de bajo umbral y alta potencia. La potencia de salida máxima de CW y la densidad de corriente de umbral son 0,948 W (0,649 W) y 1,05 kA / cm ² (1,59 kA / cm ² ) para una cavidad de 6 mm (4 mm). Se logra una mejora importante en la distribución del campo óptico mediante la introducción del ciclo de trabajo de muestra pequeña para reducir la fuerza del acoplamiento. También se observa un perfil de campo lejano de un solo lóbulo. Por lo tanto, para los láseres en cascada cuántica de retroalimentación distribuida enterrados, la incorporación de rejillas muestreadas es un método simple y efectivo para lograr que los dispositivos tengan una potencia de salida alta, un umbral bajo, una emisión monomodo estable y altos rendimientos monomodo.

Abreviaturas

CW:

Onda continua

DFB:

Comentarios distribuidos

EL:

Electroluminiscencia

FWHM:

Ancho completo a la mitad del máximo

HR:

Alta reflectividad

L – I – V:

Luz-corriente-voltaje

MBE:

Epitaxia de haz molecular

MOVPE:

Epitaxia en fase de vapor orgánico metálico

PECVD:

Deposición de vapor químico mejorada con plasma

QCL:

Láser de cascada cuántica

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