Láser Cuántico en Cascada DFB Monomodo Estable a 4,76 µm mediante Recubrimientos de Reflectividad de Faceta Optimizados

Resumen

En este trabajo se presentan láseres cuánticos en cascada (QCL) basados en compensación de tensión combinada con un diseño de resonancia de dos fonones. Se fabricó un láser de realimentación distribuida (DFB) que emite a ~ 4,76 μm mediante una rejilla enterrada de primer orden estándar y procesamiento de heterostructura enterrada (BH). Se logra una emisión monomodo estable bajo todas las corrientes de inyección y condiciones de temperatura sin salto de modo alguno, gracias al recubrimiento antirreflectante (AR) optimizado en la faceta frontal. El recubrimiento AR consiste en un dieléctrico de doble capa de Al₂O₃ y Ge. Para una cavidad láser de 2 mm, la potencia de salida máxima del DFB-QCL con recubrimiento AR fue superior a 170 mW a 20 °C con una alta eficiencia de pared (WPE) del 4,7 % en modo de onda continua (CW).

Introducción

Los láseres cuánticos en cascada de infrarrojo medio (QCL) son una de las fuentes de luz más prometedoras para numerosas aplicaciones comerciales. Estas aplicaciones prácticas, como detección de gases, comunicación en espacio libre y espectroscopía de alta resolución, requieren QCL con alta potencia, fiabilidad monomodo mejorada y bajo costo. Como resultado, desde que se demostró el primer QCL-DFB en 1997, el rendimiento de estos dispositivos ha mejorado considerablemente con la demostración de operación CW a temperatura ambiente con alta potencia en la región del infrarrojo medio. Sin embargo, la mayoría de los QCL-DFB basados en estructura de rejilla enterrada presentan el problema de las facetas aleatorias que determinan el modo de frecuencia de láser. Debido a la misma cantidad de pérdida en los dos modos de borde de banda, no se puede garantizar una operación monomodo estable. Especialmente bajo condiciones de alta temperatura o gran corriente de inyección, el salto de modo siempre ocurre, lo cual es perjudicial para las aplicaciones en estos dispositivos monomodo.

Para obtener una operación monomodo estable, se introdujo un desplazamiento de fase de cuarto de onda (λ/4 PS) en el período de la rejilla para que el láser pueda trabajar en modo de defecto; así, se evita la competencia entre los dos modos de borde de banda. Pero la litografía de haz de electrones debe usarse para la fabricación de rejilla λ/4 PS, lo que consume mucho tiempo y es costoso. El láser DFB acoplado a ganancia es una buena opción para lograr operación monomodo estable para láseres semiconductores convencionales. Sin embargo, es irrealizable para QCL fabricar láseres DFB acoplados a ganancia debido a la gran pérdida causada por la región activa grabada. Otro método ingenioso es utilizar el mecanismo de acoplamiento de pérdida de cavidad para aumentar la diferencia de pérdida entre dos modos DFB. Se cree que el recubrimiento de faceta con reflectividad apropiada puede lograr operación monomodo estable incluso a altas temperaturas y grandes corrientes. Aunque hay algunas investigaciones dedicadas al recubrimiento de facetas, siempre se centran en formar una longitud de cavidad equivalente óptima L_opt para preservar la eficiencia de pared (WPE) en lugar de la fiabilidad monomodo. Además, el recubrimiento de reflectividad optimizado debería ser una forma prometedora de resolver la competitividad entre dos modos DFB e interesante de investigar sistemáticamente.

En este artículo, se presenta la operación monomodo estable de QCL-DFB a λ ~ 4,76 μm después del recubrimiento antirreflectante (AR)/alta reflexión (HR). El recubrimiento AR consiste en un dieléctrico de doble capa de Al₂O₃ (380 nm) y Ge (33 nm). Estos dispositivos muestran una densidad de corriente umbral muy baja de 0,65 kA/cm² a 20 °C. Se logra emisión monomodo con una relación de supresión de modo lateral (SMSR) superior a 26 dB hasta una temperatura de 90 °C en operación CW sin ningún salto de modo. Se cree que el recubrimiento antirreflectante en la faceta frontal es muy valioso para suprimir la fase aleatoria de la faceta de cavidad.

Métodos

Teoría y Simulación

El núcleo de la simulación del efecto del recubrimiento antirreflectante en cavidad DFB finita es el cálculo de la pérdida de modo para los dos modos de borde de banda. El método de matriz de transferencia sería una forma apropiada de analizar toda la estructura del láser. Consideramos la aplicación de este método a dispositivos que tienen un perfil de índice de refracción longitudinal similar al mostrado en la Fig. 1. Este dibujo esquemático ilustra el efecto de la rejilla con pequeña perturbación de índice efectivo diferente (n_eff,1, n_eff,2) y películas recubiertas (n₃, n₄) en el modo guiado. Los índices de refracción complejos de los materiales principales utilizados en el cálculo se enumeran a continuación: InP (3,088 + i*2e−4), InGaAs (3,4 + i*2,9e−5), región activa (3,298 + i*4e−5), InP altamente dopado (2,81 + i*1,4e−2), SiO₂ (1,3603 + i*6,3e−4), Au (1,341 + i*32,582), Al₂O₃ (1,5348 + i*3,2967e−3) y Ge (4,0165 + i*4e−2). Luego, los diferentes índices efectivos n_eff,1 = 3,1599 + i*5,17e−5 y n_eff,2 = 3,1662 + i*5,6756e−5 se calcularon con COMSOL a través de la función de ecuación diferencial parcial (PDE). Se asume que el láser opera en un modo transversal único para que las características de propagación de la luz en cada punto a lo largo de la cavidad del láser se describan por una única cantidad compleja escalar, k, que es el vector de onda del medio. Se considera además que el láser está polarizado linealmente y su campo eléctrico asociado tiene una dependencia temporal sinusoidal e^iωt. Siguiendo estos supuestos, un factor de onda electromagnética plana unidimensional E_z, que describe la parte de variación especial de la función de onda, satisface la ecuación de Helmholtz.

La Fig. 2a demuestra los resultados calculados basados en simulación de matriz de transferencia. Como muestran las dos curvas rojas, la pérdida del modo de alta frecuencia cambia muy lentamente con la disminución de la reflectividad, mientras que la del modo de baja frecuencia aumenta bruscamente. El recuadro muestra el perfil de modo calculado para los modos de baja y alta frecuencia, para un solo período de la rejilla. Como se traza, el modo de baja frecuencia tiene mayor magnitud de campo eléctrico en los picos de la rejilla que es la parte de índice superior de la rejilla, y también, el modo de alta frecuencia está más concentrado en la parte de índice inferior de la rejilla. Para un modelo de cavidad infinita sin reflectividad de faceta, el modo de alta frecuencia siempre tiene menor pérdida de modo que el de baja frecuencia. Si se pudiera ignorar el efecto de los espejos de faceta final, entonces el modo de alta frecuencia con las menores pérdidas de guía de onda siempre láser. Sin embargo, la presencia de espejos de faceta final da reflexiones que interfieren constructiva o destructivamente con los modos DFB en la cavidad del láser. Esta interferencia afecta la pérdida de cavidad de rejilla finita de cada modo y puede determinar qué modo láser. Notamos que el efecto de los espejos es mayor cuando la posición de ambos espejos coincide con un pico en la amplitud del campo eléctrico de un modo DFB, que también es cuando los espejos están en un nodo para el otro modo DFB. Aquí, los espejos para la faceta sin recubrir coinciden con el pico del modo de baja frecuencia, y entonces, las reflexiones de los espejos finales interfieren constructivamente al máximo con el modo presente en la cavidad del láser. Esto resulta en una pérdida de modo total disminuida, debido a la contribución constructiva del espejo. A medida que la reflectividad disminuye y las influencias de desplazamiento de fase adicionales mediante el uso del recubrimiento AR de doble capa, la pérdida del modo de baja frecuencia aumenta gradualmente con la disminución de la reflectividad debido al efecto de interferencia debilitado y aumento de la pérdida de espejo. Mientras tanto, la pérdida del modo de alta frecuencia cambia poco debido al efecto de interferencia mejorado. Esto resulta en que la Δ pérdida de modo se comporta de manera similar a una función exponencial, especialmente cuando la reflectividad de la faceta frontal es < 0,15. Según la simulación, existe solo un punto mínimo dentro de todo el espectro cuando la reflectividad de la faceta frontal es < 0,11, lo que significa que el salto de modo no puede ocurrir en teoría porque la pérdida del otro modo de borde de banda es demasiado alta para láser.

Fabricación del Dispositivo

La oblea QCL se creció en un sustrato InP tipo n (Si, 3 × 10¹⁷ cm⁻³) por epitaxia de haz molecular de fuente sólida (MBE) basada en un diseño de resonancia de dos fonones. El núcleo activo incluye 40 etapas de pozos cuánticos y barreras In_0,669Ga_0,331As/In_0,362Al_0,638As compensados por tensión, que son similares a la Ref. [18]. La secuencia de capas fue la siguiente: capa de revestimiento InP inferior de 2 μm (Si, 2,5 × 10¹⁶ cm⁻³), capa In_0,47Ga_0,53As adaptada de 0,3 μm de espesor (Si, 4 × 10¹⁶ cm⁻³), 40 etapas activas/ininyectoras, capa In_0,47Ga_0,53As de 0,3 μm de espesor (Si, 4 × 10¹⁶ cm⁻³), capa de revestimiento InP superior de 3 μm (Si, 2,5 × 10¹⁶ cm⁻³) y capa de revestimiento InP altamente dopada de 0,7 μm (Si, 5 × 10¹⁸ cm⁻³). El nivel de dopaje promedio de la región activa se ajustó empíricamente a 2,4 × 10¹⁶ cm⁻³. Para fabricar la rejilla enterrada, el revestimiento superior se eliminó hasta la capa InGaAs superior. La rejilla DFB de primer orden con un período de Λ = 0,755 μm (ciclo de trabajo σ = 20 %) se definió en la capa InGaAs superior de 300 nm de espesor usando técnica litográfica holográfica y posteriormente se grabó a una profundidad de unos 90 nm por grabado químico húmedo. Luego, una capa InP de 3 μm de espesor y bajo dopaje (Si, 2,5 × 10¹⁶ cm⁻³) seguida de una capa InP de 0,2 μm dopada gradualmente (cambiando de 1 × 10¹⁷ cm⁻³ a 3 × 10¹⁷ cm⁻³) y una capa de contacto InP (5 × 10¹⁸ cm⁻³) de 0,5 μm se lograron en secuencia como revestimiento superior por epitaxia de fase de vapor orgánico-metálico (MOVPE).

Tras la implementación del patrón de rejilla y recrecimiento, la oblea epí se grabó en crestas de 10 μm de ancho, y luego las guías de onda se reintrodujeron en el sistema MOVPE y se enterraron en InP semi-aislante (Fe). Una capa de SiO₂ de 450 nm de espesor se depositó por deposición química de vapor mejorada por plasma (PECVD) para aislamiento alrededor de la cresta, y el contacto eléctrico se proporcionó mediante una capa Ti/Au. Una capa de oro adicional de 5 μm de espesor se galvanizó posteriormente para mejorar aún más la disipación de calor. Las guías de onda se seccionaron en barras de 2 mm de largo, y las pruebas se realizaron en dispositivos con recubrimientos de reflectividad de faceta optimizados. Tanto el recubrimiento HR de faceta trasera consistente en Al₂O₃/Ti/Au/Ti/Al₂O₃ (400/5/100/10/200 nm) como el recubrimiento AR de faceta frontal consistente en Al₂O₃/Ge (380/33 nm) se depositan por evaporación de haz de electrones. La reflectividad calculada de la faceta frontal es 3,4 % para longitud de onda de 4,76 μm, y la relación detallada entre la fluctuación del espesor del recubrimiento y la reflectividad se ha discutido en nuestro artículo publicado previamente [19]. Los láseres se montaron con la epilayer hacia abajo en disipadores de calor SiC con soldadura de indio y luego se conectaron por 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 monitorizó en el disipador de calor con un termistor.

Resultados y Discusión

La Fig. 3 muestra los espectros de emisión subumbral que cambian dinámicamente de electroluminiscencia a láser con el aumento de corriente, medidos con el FTIR Bruker Vertex 70 y un detector HgCdTe refrigerado con nitrógeno. El espectro láser justo por encima del umbral indica que el dispositivo opera en el modo fundamental y podemos obtener claramente la banda de parada del modo fundamental cuando la corriente es 285 mA. A partir del ancho de banda de parada Δν = 3,076 cm⁻¹ y el índice efectivo n_eff = 1/(2νΛ) = 3,153, calculamos un coeficiente de acoplamiento κ = Δν·π·n_eff = 30,4 cm⁻¹, resultando para nuestra cavidad de 2 mm de largo con recubrimiento HR en un producto de acoplamiento κL de 12,1, que corresponde bien con nuestra fabricación de dispositivos. El producto de κL mucho mayor que la investigación teórica previa κL ≈ 1 indica que se obtiene un esquema de sobreacoplamiento, lo cual es beneficioso para asegurar modo único dentro de todo el rango de corriente y temperatura examinada.

La Fig. 4a muestra la curva típica de potencia-corriente-voltaje (P-I-V) CW del láser DFB a diferentes temperaturas de disipador de calor entre 20 y 90 °C. La potencia de salida alcanza 200 mW para el dispositivo de 2 mm de largo con una baja densidad de corriente umbral de 0,65 kA/cm² a 20 °C. El voltaje umbral (V_th) de 13,2–14,2 V se midió en el rango de temperatura de 20–90 °C. Vale la pena notar que el salto de modo solo existe en temperaturas de disipador de calor inferiores a 60 °C, lo que puede deducirse fácilmente de la curva P-I. 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 restringiría otro modo láser y el salto de modo no ocurriría. La Fig. 4b muestra la curva P-I-V del láser DFB al que se ha depositado un recubrimiento antirreflectante (AR) en su faceta frontal, y elegimos una reflectividad de recubrimiento AR de 3,4 %. Cada curva P-I suave indica que no hay existencia de salto de modo en todo el rango de temperatura que medimos. La Fig. 4c, d muestra el espectro láser a diferentes corrientes de 150 a 250 mA con un paso de 25 mA. Es obvio de la Fig. 4d que logramos un modo único estable alrededor de diferentes corrientes con recubrimiento AR de faceta optimizado en lugar de salto de modo en la Fig. 4c. La frecuencia siempre mantiene una relación lineal con la corriente de inyección, y el coeficiente de sintonía por corriente Δν/ΔI = − 0,024 cm⁻¹ mA⁻¹ demuestra que el recubrimiento AR es un método simple y eficiente para resolver el problema de salto de modo en QCL-DFB.

La Fig. 5 muestra los espectros de emisión del láser con recubrimiento a diferentes temperaturas de disipador de calor de 20 a 90 °C. Las mediciones se realizaron usando un espectrómetro FTIR NICOLET 8700 con resolución de 0,25 cm⁻¹ en modo de escaneo rápido. Se observa una emisión de modo longitudinal único en todo el rango de temperatura investigado con una relación de supresión de modo lateral (SMSR) de 26 dB a alta temperatura de 90 °C. Como se muestra en el recuadro de la Fig. 5, el espectro de emisión pico se observó desplazarse de 2100,4 cm⁻¹ a 20 °C a 2088,6 cm⁻¹ a 90 °C, correspondiendo a un coeficiente de sintonía por temperatura Δν/ΔT = − 0,168 cm⁻¹ K⁻¹. La buena sintonía lineal indicó que no ocurrió salto de modo durante el cambio de temperatura del disipador de calor. Además, todos los dispositivos mencionados muestran un campo lejano lateral único dominante bajo operación CW en el modo fundamental debido al control preciso del ancho de cresta.

La WPE CW se calculó y trazó como función del consumo de potencia eléctrica de entrada en la Fig. 6. A 20 °C, se obtuvo una WPE máxima de 4,7 % alrededor de 240 mA con la potencia de salida de 170 mW. Las WPE máximas fueron aún 2,9 y 0,8 % a 50 y 90 °C respectivamente. Hasta la fecha, estos valores siguen siendo muy altos para los QCL-DFB de umbral bajo debido a nuestra alta calidad de material y recubrimiento de reflectividad de faceta optimizado. Se cree que la WPE puede mejorarse aún más mediante la selección optimizada de longitudes de cavidad láser considerando el efecto del recubrimiento.

Conclusiones

Hemos demostrado la operación CW a temperatura ambiente de QCL-DFB monomodo a λ ~ 4,76 μm. Al depositar recubrimiento AR consistente en dieléctrico de doble capa Al₂O₃ y Ge en la faceta frontal, se ha realizado con éxito un modo único estable sin ningún salto de modo bajo todas las corrientes y condiciones de temperatura. A 20 °C, se ha observado una potencia de salida CW tan alta como 170 mW con una densidad de corriente umbral muy baja de 0,65 kA/cm². Tales dispositivos representan un paso importante hacia el uso de operación monomodo estable de QCL-DFB en el rango espectral de infrarrojo medio para aplicaciones prácticas.