Funcionamiento estable de modo único del láser de cascada cuántica de retroalimentación distribuida mediante recubrimientos de facetas de reflectividad optimizada

un Las dos curvas rojas son la pérdida de modo del modo de alta y baja frecuencia, respectivamente. La curva negra es la pérdida de modo diferencial entre los dos modos de borde de banda etiquetados como Δ. El recuadro muestra el perfil de modo calculado para los modos de baja y alta frecuencia, para un solo período de la rejilla. b El espectro de pérdida de modo calculado basado en la simulación de la matriz de transferencia con diferentes recubrimientos AR

La Figura 2b muestra los tres espectros de pérdida de modo típicos durante la simulación donde los modos de alta y baja frecuencia son 4.762 y 4.779 μm respectivamente. El primero es el DFB-QCL sin revestimiento AR. Podemos ver claramente que la banda de detención se originó a partir de la retroalimentación de rejilla, y los dos modos de borde de banda son casi iguales. El segundo es un recubrimiento AR específico con 200 nm Al ₂ O ₃ y 5 nm Ge con una reflectividad de 0,22. La diferencia entre dos modos de borde de banda comienza a ser obvia. El último muestra que con un recubrimiento de menor reflectividad, la pérdida del modo Δ es tan grande que el modo de baja frecuencia se sumergió bajo la pérdida de la banda de parada. Aunque la reflectividad más baja, la pérdida de modo Δ mayor en teoría, también deberíamos considerar que la reflectividad extremadamente baja causa una gran pérdida de espejo en los dispositivos, lo que haría que el WPE cayera bruscamente. Esa es una compensación para elegir el grosor de la película según el experimento.

Fabricación de dispositivos

La oblea QCL se hizo crecer en un n-dopado (Si, 3 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ ) Sustrato de InP por epitaxia de haz molecular de fuente sólida (MBE) basado en un diseño de resonancia de dos fonones. El núcleo activo incluye 40 etapas de In _0.669 con compensación de deformación Ga _0.331 Como / en _0.362 Al _0,638 Como pozos cuánticos y barreras, que son similares a la Ref. [18]. La secuencia de capas fue la siguiente:capa de revestimiento de InP inferior de 2 μm (Si, 2,5 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ ), 0,3 μm de espesor emparejado en _0,47 Ga _0.53 Como capa (Si, 4 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ ), 40 etapas activas / inyector, 0,3 μm de espesor en _0,47 Ga _0.53 Como capa (Si, 4 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ ), Capa de revestimiento de InP superior de 3 μm (Si, 2,5 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ ) y una capa de revestimiento de InP altamente dopada de 0,7 μm (Si, 5 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ ). El nivel medio de dopaje de la región activa se ajustó empíricamente a 2,4 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ . Para fabricar la rejilla enterrada, el revestimiento superior se eliminó hasta la capa superior de InGaAs. La rejilla DFB de primer orden con un período de Λ =0,755 μm (ciclo de trabajo σ =20%) se definió en la capa superior de InGaAs de 300 nm de espesor utilizando una técnica litográfica holográfica y posteriormente se grabó a una profundidad de aproximadamente 90 nm mediante grabado químico húmedo. Luego, un dopado bajo de 3 μm de espesor (Si, 2.5 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ ) Capa de InP seguida de una dopación gradual de 0,2 μm (cambiando de 1 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ a 3 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ ) Capa de InP y un InP de 0,5 μm (5 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ ) La capa de contacto se logró en secuencia como el revestimiento superior mediante epitaxia en fase de vapor orgánico metálico (MOVPE).

Después de la implementación del patrón de rejilla y el recrecimiento, la epi-wafer se grabó en crestas de 10 μm de ancho, y luego, las guías de ondas se reintrodujeron en el sistema MOVPE y se enterraron en InP (Fe) semiaislante. Un SiO ₂ de 450 nm de espesor La capa se depositó mediante deposición química de vapor mejorada con plasma (PECVD) para el aislamiento alrededor de la cresta, y se proporcionó contacto eléctrico mediante una capa de Ti / Au. Posteriormente se galvanizó una capa de oro adicional de 5 μm de espesor para mejorar aún más la disipación de calor. Las guías de ondas se dividieron en barras de 2 mm de largo y la prueba se realizó en dispositivos con revestimientos de facetas de reflectividad optimizados. Ambos recubrimientos HR de la cara posterior consisten en Al ₂ O ₃ / Ti / Au / Ti / Al ₂ O ₃ (400/5/100/10/200 nm) y el revestimiento AR de la faceta frontal que consiste en Al ₂ O ₃ / Ge (380/33 nm) se depositan por evaporación con haz de electrones. La reflectividad calculada de la faceta frontal es del 3,4% para una longitud de onda de 4,76 μm, y la relación detallada entre la fluctuación del espesor del revestimiento y la reflectividad se ha analizado en nuestro artículo publicado anteriormente [19]. Los láseres se montaron con el lado de la epiladora hacia abajo sobre disipadores de calor de SiC con soldadura de indio y luego se unieron con alambre a una almohadilla de contacto externa. Para la caracterización espectral y eléctrica, los láseres se montan en un elemento Peltier y la temperatura se monitorea en el disipador de calor con un termistor.

Resultados y discusión

La Figura 3 muestra los espectros de emisión subumbral cambiados dinámicamente de electroluminiscencia a láser con la corriente creciente que se mide con el Bruker Vertex 70 FTIR y un detector de HgCdTe enfriado con nitrógeno. El espectro láser justo por encima del umbral indica que el dispositivo funciona en el modo fundamental y podemos obtener claramente la banda de parada del modo fundamental cuando la corriente es de 285 mA. Desde el ancho de la banda de supresión Δ ν =3,076 cm ⁻¹ y el índice efectivo n _ef =1 / (2νΛ) =3.153, calculamos un coeficiente de acoplamiento κ =Δ ν · π · n _ef =30,4 cm ⁻¹ , lo que da como resultado nuestra cavidad de 2 mm de largo con revestimiento HR en un producto de acoplamiento κL de 12,1, que se corresponde bien con la fabricación de nuestro dispositivo. El producto de κL mucho más grande que la investigación teórica anterior κL ≈ 1 [20] indica que se obtiene un esquema sobreacoplado, que es beneficioso para asegurar el modo único dentro de todo el rango de temperatura actual y examinado.

Espectro de CC de subumbral del dispositivo medido a 30 ° C

La figura 4a muestra el voltaje de corriente de potencia típico de CW ( P - yo - V ) curva del láser DFB a diferentes temperaturas del disipador de calor entre 20 y 90 ° C. La potencia de salida alcanza los 200 mW para el dispositivo de 2 mm de largo con una densidad de corriente de umbral bajo de 0,65 kA / cm ² a 20 ° C. El voltaje de umbral ( V _th ) de 13,2 a 14,2 V se midió en el rango de temperatura de 20 a 90 ° C. Vale la pena señalar que el salto de modo solo existe en temperaturas más bajas del disipador de calor por debajo de 60 ° C, lo que se puede deducir fácilmente de la P - yo curva. La alta temperatura del disipador de calor contribuiría a una acumulación de calor más severa en el núcleo del láser de modo que el efecto térmico restringiera otro modo de láser y no se produciría un salto de modo. La figura 4b muestra la P - yo - V curva del láser DFB que se ha depositado un revestimiento antirreflectante (AR) en su faceta frontal, y elegimos un revestimiento AR de reflectividad del 3,4%. Cada suave P - yo las curvas indican que no existe un salto de modo alrededor de la temperatura que medimos. La Figura 4c, d muestra el espectro láser a diferentes corrientes de 150 a 250 mA con un paso de 25 mA. Es obvio a partir de la Fig. 4d que logramos un modo único estable alrededor de diferentes corrientes con un revestimiento de facetas AR optimizado en lugar de un salto de modo en la Fig. 4c. La frecuencia siempre mantiene una relación lineal con la corriente de inyección y el coeficiente de sintonización actual Δ ν / Δ yo =- 0,024 cm ⁻¹ mA ⁻¹ demuestra que el recubrimiento AR es un método simple y eficiente para resolver el problema del salto de modo en DFB-QCL.

un , b Potencia de salida versus corriente del láser DFB operado en modo CW a diferentes temperaturas del disipador de calor entre 20 y 90 ° C junto con V - yo curvas. c , d Espectros de láser CW a diferentes corrientes de 150 a 250 mA con un paso de 25 mA a 20 ° C

La Figura 5 muestra los espectros de emisión del láser DFB de revestimiento a diferentes temperaturas del disipador de calor de 20 a 90 ° C. Las mediciones se realizaron utilizando un espectrómetro NICOLET 8700 FTIR con 0,25 cm ⁻¹ resolución en un modo de escaneo rápido. Se observa una única emisión de modo longitudinal en todo el rango de temperatura investigado con una relación de supresión de modo lateral (SMSR) de 26 dB a una temperatura alta de 90 ° C. Como se muestra en el recuadro de la Fig.5, se observó que el espectro de emisión pico cambiaba de 2100,4 cm ⁻¹ de 20 ° C a 2088,6 cm ⁻¹ a 90 ° C, correspondiente a un coeficiente de ajuste de temperatura Δ ν / Δ T =- 0,168 cm ⁻¹ K ⁻¹ . El buen ajuste lineal indicó que no se produjo ningún salto de modo durante el cambio de temperatura del disipador de calor. Además, todos los dispositivos mencionados muestran un campo lejano lateral único dominante en la operación CW en el modo fundamental debido al control preciso del ancho de la cresta.

Espectros de emisión monomodo del láser DFB a una corriente de umbral de 1,1 para diferentes temperaturas del disipador de calor de 20 a 90 ° C. El inserto muestra las características de ajuste linealmente ajustadas de la frecuencia láser con la temperatura

El CW WPE se calculó y representó como una función del consumo de energía eléctrica de entrada en la Fig. 6. A 20 ° C, se obtuvo un WPE máximo de 4,7% alrededor de 240 mA con la potencia de salida de 170 mW. Los WPE máximos seguían siendo de 2,9 y 0,8% a 50 y 90 ° C respectivamente. Hasta la fecha, estos valores todavía eran muy altos para los DFB-QCL de bajo umbral debido a nuestra alta calidad de material y al recubrimiento de facetas de reflectividad optimizado. Se cree que el WPE puede mejorarse aún más mediante la selección optimizada de las longitudes de la cavidad del láser teniendo en cuenta el efecto de recubrimiento.

Eficiencia del enchufe de pared en función de la disipación de energía eléctrica del DFB-QCL con revestimiento AR y HR de 2 mm de longitud

Conclusiones

Hemos demostrado el funcionamiento en CW a temperatura ambiente de DFB-QCL monomodo en λ ~ 4,76 μm. Al depositar un revestimiento AR que consiste en dieléctrico de doble capa Al ₂ O ₃ y Ge en la faceta frontal, se ha realizado con éxito un modo único estable sin ningún salto de modo en todas las corrientes y condiciones de temperatura. A 20 ° C, se ha observado una potencia de salida de CW de hasta 170 mW con una densidad de corriente de umbral muy baja de 0,65 kA / cm ² . Estos dispositivos representan un paso importante hacia el uso de un funcionamiento monomodo estable de DFB-QCL en el rango espectral del infrarrojo medio para aplicaciones prácticas.

Abreviaturas

AR:

Antirreflejos

BH:

Heteroestructura enterrada

CW:

Onda continua

DFB:

Comentarios distribuidos

HR:

Reflexión alta

MBE:

Epitaxia de haz molecular

MOVPE:

Epitaxia en fase de vapor orgánico metálico

PDE:

Ecuación diferencial parcial

PECVD:

Deposición de vapor químico mejorada con plasma

P - yo - V :

Potencia-corriente-voltaje

QCL:

Láser de cascada cuántica

SMSR:

Relación de supresión de modo lateral

V _th :

Voltaje umbral

WPE:

Eficiencia del enchufe de pared

λ / 4 PD:

Un cambio de fase de un cuarto de onda

Convertidor de polarización con birrefringencia controlable basado en metauperficie híbrida de grafeno totalmente dieléctrico Nanowebs grafíticos jerárquicamente macroporosos que exhiben un rendimiento de almacenamiento de carga estable y ultrarrápido