Láser cuántico cascada DFB emisor sustrato ultra-bajo consumo: 0,43 W umbral a 25 °C

Resumen

En el presente trabajo, se desarrolló un láser cuántico cascada (QCL) de realimentación distribuida (DFB) emisor por sustrato con consumo ultra-bajo. La disipación potencia umbral onda continua (CW) se reduce a 0,43 W a 25 °C acortando longitud cavidad a 0,5 mm y depositando recubrimiento alta reflectividad (HR) en ambas facetas. Según nuestro conocimiento, esta es la disipación potencia umbral registrada de QCLs en mismas condiciones. Emisión monomodo lograda empleando rejilla enterrada segundo orden. Emisión libre salto modo observable en amplio rango temperatura 15-105 °C en modo CW. Ángulos divergencia 22,5° y 1,94° en dirección ancho cresta y dirección longitud cavidad, respectivamente. Potencia óptica máxima operación CW 2,4 mW a 25 °C, suficiente aplicaciones espectroscopía.

Introducción

En años recientes, láseres cuánticos cascada (QCL) han experimentado desarrollo rápido convirtiéndose fuente más prometedora región medio infrarrojo. Beneficiados por alta potencia, operación monomodo y tamaño compacto, QCLs DFB usados ampliamente en aplicaciones como detección gases traza, comunicación espacio libre, análisis sustancias. Sin embargo, desventaja restante QCLs es alta disipación potencia eléctrica, limitando aplicación en sistemas portátiles e altamente integrados. Para disminuir disipación potencia, método más directo es disminuir geometría dispositivo, acortando cavidad y estrechando cresta. Recubrimiento alta reflectividad (HR) también muy efectivo reducir pérdida espejo. Estudios realizados reducir disipación potencia umbral QCLs Fabry-Perot (FP) usando cavidad corta y depositando recubrimiento HR o recubrimiento alta reflectividad parcial (PHR) en facetas, demostrando potencia disipada 1,2 W a 22 °C y 0,83 W a 25 °C por A.C. Richard et al. y Y. Bai et al., respectivamente. Estos métodos también aplicables dispositivos DFB. En 2014, Ryan M. Briggs et al. reportaron QCL DFB monomodo emitiendo 4,8 µm con consumo potencia CW umbral 0,76 W y potencia óptica máxima ~17 mW a 20 °C. En 2015, A. Bismuto et al. demostraron QCLs DFB monomodo cavidad corta, cresta estrecha emitiendo 4,5 µm con potencia disipada CW umbral 0,5 W a 20 °C. Potencia óptica máxima ~150 mW; sin embargo, potencia eléctrica inyectada >6 W. Otros métodos como optimización dopaje y estructura activa bajo período también investigados. Para QCLs emisores borde, recubrimiento HR comúnmente depositado faceta trasera dejando frontal sin recubrir o PHR recubierto reducir pérdida espejo manteniendo potencia óptica emitida faceta frontal. En cambio, ambas facetas pueden recubrirse HR para emisión sustrato reducir aún más pérdida espejo ya que luz emitida desde sustrato no faceta frontal. Además, distribuciones campo lejano mejoradas esperadas QCLs emisores sustrato. Según trabajo reciente, QCL DFB emisor sustrato con baja disipación potencia umbral 1,27 W a 20 °C obtenido depositando recubrimiento HR ambas facetas. Región activa Ref [14] consiste 40 períodos superred, voltaje umbral ~13 V. Menor voltaje umbral, y así menor disipación potencia umbral esperado si número períodos región activa disminuye. Longitud cavidad 1 mm también acortable diseñando apropiadamente rejilla enterrada segundo orden disminuir disipación potencia umbral.

En presente trabajo, QCL DFB emisor sustrato ultra-bajo consumo desarrollado. Disipación potencia umbral modo CW 0,4 W a 15 °C y 0,43 W a 25 °C acortando longitud cavidad 0,5 mm y depositando recubrimiento HR ambas facetas. Potencia óptica máxima modo CW 2,4 mW a 25 °C, suficiente aplicaciones espectroscopía. Emisión monomodo lograda empleando rejilla enterrada segundo orden. Ángulos divergencia 22,5° y 1,94° ancho mitad máximo (FWHM) dirección ancho cresta y dirección longitud cavidad, respectivamente. Distribución campo lejano doble lóbulo dirección longitud cavidad indica modo anti-simétrico favorecido. Dispositivos operan modo CW sin salto modo amplio rango temperatura 15-105 °C y muy adecuados aplicaciones portátiles alta integración.

Métodos

Región activa dispositivo basada diseño resonante dos fonones compensado tensión emitiendo ~4,6 µm. Oblea crecida sustrato InP n-dopado (Si, 2×10¹⁷ cm⁻³) por epitaxia haz molecular fuente sólida (MBE). Treinta etapas pozos cuánticos In₀,₆₇Ga₀,₃₃As/In₀,₃₆Al₀,₆₄As y barreras incluidas núcleo activo, similar Ref. [15]. Secuencia capa completa: 1,2 µm capa revestimiento inferior (Si, 2,2×10¹⁶ cm⁻³), 0,3 µm capa n-In₀,₅₃Ga₀,₄₇As (Si, 4×10¹⁶ cm⁻³), 30 etapas activo/inyector, 0,3 µm capa n-In₀,₅₃Ga₀,₄₇As (Si, 4×10¹⁶ cm⁻³), capa guía onda revestimiento superior. Fabricar rejilla enterrada, capa revestimiento guía onda superior removida hasta capa InGaAs superior. Rejilla segundo orden período Λ = 1,42 µm (ciclo trabajo σ = 0,45, profundidad d = 130 nm) definida capa InGaAs superior 0,3 µm por tecnología litografía holográfica y grabado químico húmedo. Figura 1a muestra imagen microscopio electrónico barrido (SEM) rejilla enterrada segundo orden. Tras esto, capa InP bajo dopado 3 µm (Si, 2,2×10¹⁶ cm⁻³) seguida capa InP dopado gradualmente 0,15 µm (Si, 1×10¹⁷ a 3×10¹⁷ cm⁻³) y capa revestimiento InP alto dopado 0,4 µm (Si, 5×10¹⁸ cm⁻³) logradas secuencia como revestimiento superior por epitaxia fase vapor orgánico metálico (MOVPE).

Tras implementación recrescimiento, oblea grabada estructura guía onda doble canal ancho núcleo promedio 7 µm. Luego, SiO₂ 450 nm depositado deposición química vapor mejorada plasma (PECVD) aislamiento. Ventana inyección electrón 2 µm patrón capa SiO₂ cresta, contacto eléctrico provisto capa Ti/Au. Mejor disipación calor, capa Au 4 µm adicional electrodepositada. Antes cleft real, simulaciones masivas diseño rejilla segundo orden enterrada implementadas software elementos finitos (COMSOL), similar Ref. [16] Tras adelgazar 150 µm, guía onda cleft dispositivos 0,5 y 1 mm longitud, correspondiendo fuerza acoplamiento 0,54~1,77 y 1,08~3,55, respectivamente. Entonces, ambas facetas dispositivos recubiertas HR evaporación haz e-. Recubrimiento HR consistió Al₂O₃/Ti/Au/Al₂O₃ (200/10/100/120). Dispositivos montados epi-capa abajo disipadores calor cobre con soldadura indio, luego wire bonded pad contacto externo.

Pruebas dispositivo realizadas etapa enfriador termoeléctrico (TEC) con termistor regulando monitoreando temperatura disipador calor. Potencia salida QCL medida detector termopila calibrado (Coherent, EMP1000) puesto frente dispositivo con tubo metálico colectando emisión láser. Luego, dispositivo puesto etapa rotacional controlada motor paso resolución 0,01° para prueba distribución campo lejano y detector HgCdTe temperatura ambiente (Vigo, PVMI-10.6) puesto frente láser distancia 30 cm detectar radiación. Medida espectros realizada usando espectrómetro infrarrojo transformada Fourier (FTIR) (Thermo Fisher Scientific, Nicolet 8700) resolución 0,25 cm⁻¹ modo escaneo rápido.

Resultados y discusión

Resultado simulación COMSOL mostrado Fig. 1b. Según cálculo, coeficiente acoplamiento |κ| = 35,5~10,75 cm⁻¹ obtenido rejilla enterrada ciclo trabajo 0,35~0,45 y profundidad grabado 180 nm. Fuerza acoplamiento g = |κ|L, donde L longitud cavidad QCL. Obtener emisión superficie eficiente, fuerza acoplamiento 1-2 siempre requerida. Dispositivo 1 y 0,5 mm longitud cavidad, fuerza acoplamiento simulada rango 3,55~1,07 y 1,78~0,54 cuando ciclo trabajo 0,35~0,45. Por tanto, diseño rejilla enterrada esencial dispositivo longitud cavidad corta.

Interés particular caracterización eléctrica. Curva luz-corriente-voltaje (L-I-V) dispositivos diferentes longitud cavidad mostrada Fig. 2. Láseres operaron modo CW y temperatura disipador calor regulada controlador temperatura (Thorlabs, ITC-QCL-4000). Como muestra Fig. 2a, dispositivo cavidad 1 mm exhibe corriente umbral 65 mA a 25 °C, correspondiendo densidad corriente umbral 0,54 kA/cm⁻² y disipación potencia 0,67 W. Potencia óptica máxima 8,6 mW con potencia eléctrica inyectada 1,66 W, eficiencia pendiente 0,11 W/A. Alta temperatura 65 °C, potencia óptica máxima aún >5 mW. Dispositivo longitud cavidad 0,5 mm, corriente umbral y disipación potencia disminuyen 39 mA y 0,4 W a 15 °C, como muestra Fig. 2b. Densidad corriente umbral 0,65 kA/cm⁻². Potencia óptica máxima 2,8 mW deducida cuando potencia eléctrica inyectada 0,74 W. A 25 °C, corriente umbral aumenta ligeramente 41 mA, correspondiendo consumo potencia 0,43 W. Según nuestro conocimiento, este es menor consumo potencia umbral QCLs misma temperatura. Potencia óptica máxima este dispositivo 2,4 mW con disipación potencia 0,76 W, muy capaz algunas aplicaciones sensores alta integración. A 35 °C, potencia óptica máxima ~1,9 mW. Dispositivo opera temperatura 105 °C modo CW, pero potencia salida pequeña y difícil detectar accuradamente. Comparado trabajos previos Ref [9,10,11], potencia óptica máxima nuestro diseño no notable por eficiencia enchufe-pared baja dispositivo. Esto inherentemente limitado calidad oblea epitaxia. Además, máxima eficiencia enchufe-pared 0,5 mm dispositivo 0,32 % temperatura ambiente, menor que 1 mm dispositivo, 0,5 %.

Caracterización espectros láseres mostrada Fig. 3. Ambos dispositivos 1 y 0,5 mm operan modo CW sin salto modo amplio rango temperatura 15-105 °C. Esta temperatura trabajo más alta en todos QCLs bajo consumo potencia. Tal alta temperatura trabajo principalmente beneficiada pérdida espejo reducida por recubrimiento HR facetas. Coeficiente desplazamiento temperatura -0,21 cm⁻¹/K y -0,19 cm⁻¹/K, respectivamente. Pequeña diferencia entre regímenes espectrales dos dispositivos mismo rango temperatura, probablemente causada litografía y grabado no uniformes rejilla. Ratio supresión modo lateral (SMSR) dispositivo ~25 dB. Buena capacidad sintonía lineal, monomodo y alta temperatura operación hacen estos dispositivos muy útiles aplicaciones reales como detección gases traza.

Distribución campo lejano dispositivo 0,5 mm mostrada Fig. 4. Dirección ancho cresta, patrón mono-lóbulo ángulo divergencia 22,5° (FWHM) observado, Fig. 4a. Figura 4b muestra patrón campo lejano dirección longitud cavidad. Patrón indica modo anti-simétrico favorecido, causado no uniformidades cleft artesanal y reflexiones facetas residuales. Modo simétrico obtenible uso rejilla reflector Bragg distribuido (DBR) ambos lados región rejilla DFB eliminar reflexiones facetas cleft no controladas.

Conclusiones

Hemos desarrollado QCL DFB emisor sustrato con disipación potencia umbral ultra-baja 0,43 W a 25 °C operando modo CW acortando longitud cavidad 0,5 mm y depositando recubrimiento HR ambas facetas. Su potencia óptica máxima 2,4 mW, disipación potencia correspondiente 0,76 W. Emisión monomodo sin salto modo obtenida amplio rango temperatura 15-105 °C definiendo rejilla DFB enterrada segundo orden. Ángulos divergencia 22,5° y 1,94° dirección ancho cresta y dirección longitud cavidad, respectivamente. Característica bajo consumo dispositivo podría hacerlo fuente luz prometedora algunos sistemas portátiles batería.

Abreviaturas

CW:

Onda continua

DFB:

Realimentación distribuida

FP:

Fabry-Perot

FTIR:

Infrarrojo transformada Fourier

FWHM:

Ancho mitad máximo

HR:

Alta reflectividad

MBE:

Epitaxia haz molecular

MOVPE:

Epitaxia fase vapor orgánico metálico

PECVD:

Deposición química vapor mejorada plasma

PHR:

Alta reflectividad parcial

QCL:

Láser cuántico cascada

SEM:

Microscopio electrónico barrido

SMSR:

Ratio supresión modo lateral

TEC:

Enfriador termoeléctrico