Láseres de cascada cuántica DFB de bajo consumo de energía

Antecedentes

En los últimos años, los láseres en cascada cuántica (QCL) han experimentado un rápido desarrollo y se han convertido en la fuente más prometedora en la región de frecuencia del infrarrojo medio [1, 2, 3]. Beneficiados por su funcionamiento monomodo de alta potencia y tamaño compacto, los QCL de retroalimentación distribuida (DFB) se han utilizado ampliamente en muchas aplicaciones, como la detección de gases traza, la comunicación en el espacio libre y el análisis de sustancias [4, 5, 6]. Sin embargo, la desventaja restante de los QCL es su alta disipación de energía eléctrica, lo que ha limitado su aplicación en algunos sistemas portátiles y altamente integrados. Para disminuir la disipación de energía, el método más sencillo es disminuir el tamaño de la geometría del dispositivo, como acortar la cavidad y estrechar la cresta. El revestimiento de alta reflectividad (HR) también es muy eficaz para reducir la pérdida del espejo. Se han realizado algunos estudios para reducir el umbral de disipación de potencia de las QCL de Fabry-Perot (FP) mediante el uso de una cavidad corta y el depósito de un revestimiento HR [7] o un revestimiento parcial de alta reflectividad (PHR) en las facetas [8], en las que el AC Richard et al. han demostrado una potencia disipada tan baja como 1,2 W a 22 ° C y 0,83 W a 25 ° C. e Y. Bai et al., respectivamente. Estos métodos también podrían aplicarse a dispositivos DFB. En 2014, Ryan M. Briggs et al. informaron de un DFB QCL monomodo que emite a 4,8 μm con un umbral de consumo de energía de CW de 0,76 W y una potencia óptica máxima de aproximadamente 17 mW a 20 ° C [9]. En 2015, A. Bismuto et al. demostraron QCL DFB monomodo de cavidad corta y cresta estrecha que emiten a 4,5 μm con una potencia disipada en el umbral de CW tan baja como 0,5 W a 20 ° C [10]. La potencia óptica máxima es de unos 150 mW; sin embargo, la potencia eléctrica inyectada es superior a 6 W. También se han investigado otros métodos como la optimización del dopaje y la estructura activa de período bajo [7, 11]. Para los QCL que emiten bordes, el revestimiento HR se deposita comúnmente en la cara posterior y deja la cara frontal sin revestir o revestida con PHR para reducir la pérdida de espejo mientras se mantiene la potencia óptica emitida desde la cara frontal. En cambio, ambas facetas se pueden recubrir con HR para que la emisión de sustrato disminuya aún más la pérdida de espejo, ya que la luz se emite desde el sustrato en lugar de la faceta frontal. Además, se pueden esperar mejores distribuciones de campo lejano a partir de QCL emisores de sustrato [12, 13]. Según nuestro trabajo reciente, se obtuvo un DFB QCL emisor de sustrato con un bajo umbral de disipación de potencia de 1,27 W a 20 ° C mediante la aplicación de revestimiento HR en ambas facetas [14]. La región activa en Ref [14] consta de 40 períodos de superrejilla y el voltaje de umbral es aproximadamente 13 V. Un voltaje de umbral más bajo y, por lo tanto, se puede esperar una disipación de potencia de umbral más bajo si se reduce el número de período de la región activa. La longitud de la cavidad de 1 mm también podría acortarse aún más diseñando adecuadamente la rejilla enterrada de segundo orden para disminuir el umbral de disipación de potencia.

En el presente trabajo, se desarrolló un DFB QCL de emisión de sustrato de ultra bajo consumo de energía. El umbral de disipación de potencia trabajando en modo CW es tan bajo como 0,4 W a 15 ° C y 0,43 W a 25 ° C acortando la longitud de la cavidad a 0,5 mm y depositando revestimiento HR en ambas facetas. La potencia óptica máxima en modo CW es de 2,4 mW a 25 ° C, que es suficiente para aplicaciones de espectroscopía. La emisión monomodo se logró mediante el empleo de una rejilla enterrada de segundo orden. Los ángulos de divergencia son 22,5 ^o y 1,94 ^o ancho completo a la mitad del máximo (FWHM) en la dirección del ancho de la cresta y en la dirección de la longitud de la cavidad, respectivamente. La distribución de campo lejano de doble lóbulo en la dirección de la longitud de la cavidad indica que se favorece el modo antisimétrico. Estos dispositivos pueden funcionar en modo CW sin salto de modo en un amplio rango de temperatura de 15 a 105 ° C y serán muy adecuados en aplicaciones portátiles de alta integración.

Métodos

La región activa del dispositivo se basó en un diseño resonante de dos fonones con compensación de deformación que emite a ~ 4,6 μm. La oblea se hizo crecer en un n-dopado (Si, 2 × 10 ¹⁷ cm ^{- 3} ) Sustrato de InP por epitaxia de haz molecular de fuente sólida (MBE). Treinta etapas de In _0.67 Ga _0,33 Como / en _0.36 Al _0,64 Como los pozos cuánticos y las barreras se incluyeron en el núcleo activo, que era similar a la Ref. [15] La secuencia de capas completa fue la siguiente:capa de revestimiento inferior de 1,2 μm de espesor (Si, 2,2 × 10 ¹⁶ cm ^{- 3} ), N-In _0.53 de 0,3 μm de espesor Ga _0,47 Como capa (Si, 4 × 10 ¹⁶ cm ^{- 3} ), 30 etapas activas / inyector, n-In _0.53 de 0,3 μm de espesor Ga _0,47 Como capa (Si, 4 × 10 ¹⁶ cm ^{- 3} ) y reproductor de revestimiento de guía de ondas superior. Para fabricar la rejilla enterrada, la capa superior de revestimiento de la guía de ondas se eliminó hasta la capa superior de InGaAs. La rejilla de segundo orden con un período de Λ =1,42 μm (ciclo de trabajo σ =0.45, profundidad d =130 nm) se definió en la capa superior de InGaAs de 0,3 μm de espesor mediante tecnología de litografía holográfica y grabado químico húmedo. La Figura 1a muestra la imagen del microscopio electrónico de barrido (SEM) de la rejilla de segundo orden enterrada. Después de eso, una capa de InP poco dopada de 3 μm de espesor (Si, 2,2 × 10 ¹⁶ cm ^{- 3} ) seguido de una capa de InP dopada gradualmente de 0,15 μm (Si, de 1 × 10 ¹⁷ a 3 × 10 ¹⁷ cm ^{- 3} ) y una capa de revestimiento de InP de alto dopado de 0,4 μm (Si, 5 × 10 ¹⁸ cm ^{- 3} ) se lograron en secuencia como revestimiento superior mediante epitaxia en fase de vapor organometálico (MOVPE).

un La imagen SEM de la rejilla enterrada y b el coeficiente de acoplamiento simulado y la fuerza de acoplamiento de la rejilla de segundo orden enterrada con COMSOL

Después de la implementación del recrecimiento, la oblea se grabó en una estructura de guía de ondas de doble canal con un ancho de núcleo promedio de 7 μm. Luego, un SiO ₂ de 450 nm de espesor fue depositado por deposición química de vapor mejorada con plasma (PECVD) para aislamiento. Se modeló una ventana de inyección de electrones de 2 μm de ancho en SiO ₂ capa de la cresta, y el contacto eléctrico fue proporcionado por una capa de Ti / Au. Para una mejor disipación del calor, se galvanizó una capa adicional de Au de 4 μm de espesor. Antes de la división, se implementaron simulaciones masivas para el diseño de la rejilla enterrada de segundo orden con el software de método de elementos finitos (COMSOL), que era similar a la Ref. [16] Después de adelgazar a 150 μm, la guía de ondas se escindió en dispositivos de 0,5 y 1 mm de largo, lo que corresponde a una fuerza de acoplamiento de 0,54 ~ 1,77 y 1,08 ~ 3,55, respectivamente. Luego, ambas facetas de estos dispositivos se recubrieron con HR mediante evaporación de haz de electrones. El recubrimiento HR consistió en Al ₂ O ₃ / Ti / Au / Al ₂ O ₃ (200/10/100/120). Los dispositivos se montaron en capas de epi sobre disipadores de calor de cobre con soldadura de indio y luego se unieron con alambre a una almohadilla de contacto externa.

La prueba del dispositivo se realizó en una etapa de enfriador termoeléctrico (TEC) con un termistor que regula y monitorea la temperatura del disipador de calor. La potencia de salida del QCL se midió mediante un detector de termopila calibrado (Coherent, EMP1000) que se colocó justo en frente del dispositivo con un tubo metálico que recogía la emisión láser. Luego, el dispositivo se colocó en una etapa de rotación controlada por motor paso a paso con una resolución de 0.01 ^o para la prueba de distribución de campo lejano y se colocó un detector de HgCdTe a temperatura ambiente (Vigo, PVMI-10.6) frente al láser con una distancia de 30 cm para detectar la radiación. La medición de los espectros se realizó mediante un espectrómetro de infrarrojos por transformada de Fourier (FTIR) (Thermo Fisher Scientific, Nicolet 8700) con una resolución de 0,25 cm ^{- 1} en modo de escaneo rápido.

Resultados y discusión

El resultado de la simulación COMSOL se muestra en la Fig. 1b. Según el cálculo, un coeficiente de acoplamiento de | κ | =35,5 ~ 10,75 cm ^{- 1} Se obtiene para la rejilla enterrada con ciclo de trabajo de 0.35 ~ 0.45 y profundidad de grabado de 180 nm. La fuerza de acoplamiento g =| Κ | L , donde L es la longitud de la cavidad del QCL. Para obtener una emisión superficial eficiente, siempre se requiere la fuerza de acoplamiento de 1–2. Para un dispositivo con 1 y 0,5 mm de longitud de la cavidad, la fuerza de acoplamiento simulada está en el rango de 3,55 ~ 1,07 y 1,78 ~ 0,54 cuando el ciclo de trabajo es de 0,35 ~ 0,45. Por lo tanto, el diseño de la rejilla enterrada es muy esencial para dispositivos de cavidad de longitud corta.

De particular interés es la caracterización eléctrica. La luz-corriente-voltaje (L-I-V ) La curva de los dispositivos con diferente longitud de cavidad se muestra en la Fig. 2. Los láseres funcionaron en modo CW y la temperatura del disipador de calor se reguló mediante un controlador de temperatura (Thorlabs, ITC-QCL-4000). Como se muestra en la Fig. 2a, el dispositivo con una cavidad de 1 mm de largo exhibe una corriente de umbral de 65 mA a 25 ° C, correspondiente a una densidad de corriente de umbral de 0.54 kA / cm ^{- 2} y disipación de potencia de 0,67 W. La potencia óptica máxima es de 8,6 mW con una potencia eléctrica inyectada de 1,66 W, y la eficiencia de la pendiente es de 0,11 W / A. A una temperatura alta de 65 ° C, la potencia óptica máxima sigue siendo superior a 5 mW. Para un dispositivo con una longitud de cavidad de 0,5 mm, la corriente de umbral y la disipación de potencia se reducen a 39 mA y 0,4 W a 15 ° C, como se muestra en la Fig. 2b. La densidad de corriente umbral es 0,65 kA / cm ^{- 2} . La potencia óptica máxima de 2,8 mW se deduce cuando la potencia eléctrica inyectada es de 0,74 W. A 25 ° C, el umbral de corriente se incrementa ligeramente a 41 mA, lo que corresponde a un consumo de energía de 0,43 W. Hasta donde sabemos, esto es el umbral de consumo de energía más bajo de los QCL a la misma temperatura. La potencia óptica máxima de este dispositivo es de 2,4 mW con una disipación de potencia de 0,76 W, que es muy capaz de algunas aplicaciones de sensor de alta integración. A 35 ° C, la potencia óptica máxima es de aproximadamente 1,9 mW. Este dispositivo puede funcionar a temperaturas de hasta 105 ° C en modo CW, pero la potencia de salida será pequeña y demasiado difícil de detectar con precisión. En comparación con los trabajos anteriores en Ref [9,10,11], la potencia óptica máxima de nuestro diseño no es notable debido a la baja eficiencia de enchufe de pared del dispositivo. Esto está inherentemente limitado por la calidad de la oblea de epitaxia. Además, la eficiencia máxima del enchufe de pared de un dispositivo de 0,5 mm de longitud de cavidad es de 0,32% a temperatura ambiente, menor que la del dispositivo de 1 mm de longitud de cavidad, es decir, 0,5%.

Las características L-I-V del 1 mm ( a ) y 0,5 mm ( b ) dispositivos

La caracterización espectral de los láseres se muestra en la Fig. 3. Ambos dispositivos de 1 y 0,5 mm pueden operar en modo CW sin salto de modo dentro de un amplio rango de temperatura de 15 a 105 ° C. Ésta es la temperatura de trabajo más alta de todos los QCL de bajo consumo de energía. Una temperatura de trabajo tan alta se beneficia principalmente de la reducción de la pérdida de espejo que aporta el revestimiento HR en las facetas. El coeficiente de cambio de temperatura es - 0,21 cm ^{- 1} / K y - 0,19 cm ^{- 1} / K, respectivamente. Existe una pequeña diferencia entre los regímenes espectrales de los dos dispositivos en el mismo rango de temperatura, que probablemente se deba a la litografía no uniforme y al proceso de grabado de la rejilla. La relación de supresión de modo lateral (SMSR) del dispositivo es de aproximadamente 25 dB. La buena capacidad de ajuste lineal, el modo único y la alta temperatura de funcionamiento de estos dispositivos los hacen muy útiles en algunas aplicaciones reales, como la detección de gases traza.

Los espectros láser de a 0.5 y b Dispositivo de 1 mm de longitud de la cavidad

La distribución de campo lejano de un dispositivo de 0,5 mm se muestra en la Fig. 4. En la dirección del ancho de la cresta, un patrón de lóbulo único con un ángulo de divergencia de 22,5 ^o (FWHM), como se muestra en la Fig. 4a. La Figura 4b muestra el patrón de campo lejano en la dirección de la longitud de la cavidad. El patrón de campo lejano indica que se favorece el modo antisimétrico, que es causado por la falta de uniformidad de la escisión hecha a mano y los reflejos residuales de las facetas [16]. El modo simétrico se puede obtener mediante el uso de una rejilla de reflector de Bragg distribuida (DBR) a ambos lados de la región de la rejilla DFB para eliminar los reflejos de las facetas escindidas no controladas [17].

La distribución de campo lejano de un dispositivo de 0,5 mm de longitud de cavidad. un , b Las distribuciones de campo lejano en la dirección del ancho de la cresta y la longitud de la cavidad, respectivamente

Conclusiones

Hemos desarrollado un DFB QCL emisor de sustrato con un umbral de disipación de potencia ultrabajo de 0,43 W a 25 ° C que funciona en modo CW acortando la longitud de la cavidad a 0,5 mm y depositando revestimiento HR en ambas facetas. Su potencia óptica máxima fue de 2,4 mW y la disipación de potencia correspondiente fue de 0,76 W. La emisión monomodo sin salto de modo se obtuvo dentro de una amplia temperatura de 15 a 105 ° C mediante la definición de una rejilla DFB de segundo orden enterrada. Los ángulos de divergencia son 22,5 ^o y 1,94 ^o en la dirección del ancho de la cresta y en la dirección de la longitud de la cavidad, respectivamente. La característica de bajo consumo del dispositivo podría convertirlo en una fuente de luz prometedora en algunos sistemas portátiles que funcionan con baterías.

Abreviaturas

CW:

Onda continua

DFB:

Comentarios distribuidos

FP:

Fabry-Perot

FTIR:

Infrarrojos por transformada de Fourier

FWHM:

Ancho completo a la mitad del máximo

HR:

Alta reflectividad

MBE:

Epitaxia de haz molecular

MOVPE:

Epitaxia en fase vapor metalorgánica

PECVD:

Deposición de vapor químico mejorada con plasma

PHR:

Alta reflectividad parcial

QCL:

Láser de cascada cuántica

SEM:

Microscopio electrónico de barrido

SMSR:

Relación de supresión de modo lateral

TEC:

Nevera termoeléctrica

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