Operación Monomodo Estable de Alta Potencia y Bajo Umbral en Láser Cuántico de Cascada con Rejilla Muestreada Enterrada

Resumen

Se demuestra operación monomodo estable de alta potencia y bajo umbral en láser cuántico de cascada (QCL) de realimentación distribuida (DFB) con rejilla muestreada enterrada emitiendo a λ ~ 4,87 µm. Se obtiene alta potencia de salida continua (CW) de 948 mW y 649 mW para longitudes de cavidad de 6 mm y 4 mm a 20 °C, respectivamente, lo que beneficia de la distribución optimizada del campo óptico de la rejilla muestreada. Los rendimientos monomodo de los dispositivos se mejoran notablemente controlando precisamente las posiciones de corte de las dos facetas finales. Como resultado, se obtienen emisión monomodo estable y sintonización de modo lineal sin salto de modo alguno bajo diferentes temperaturas de disipador de calor o altas corrientes de inyección.

Introducción

Los láseres cuánticos de cascada (QCLs) se han convertido en una de las fuentes de luz infrarroja media más prometedoras y han atraído mucha atención para aplicaciones de teledetección, espectroscopía de alta resolución y monitorización de procesos industriales tras su primera demostración debido a sus características destacadas como amplio rango de longitud de onda, tamaño compacto y alta potencia de salida [1,2,3,4]. Para esas aplicaciones, emisión monomodo y alta potencia de salida son usualmente deseadas, lo que puede lograrse con un QCL DFB. El enfoque de rejilla enterrada se ha adoptado ampliamente para menor pérdida de guía de onda, menor densidad de corriente umbral y mayores rendimientos monomodo comparado con rejilla superficial [5, 6]. Hasta ahora, una serie de avances significativos basados en enfoque de rejilla enterrada se han logrado en mejorar el rendimiento de QCLs DFB de estabilidad monomodo y potencia de salida [7, 8], pero un mecanismo de realimentación sobre-acoplado de rejilla enterrada impide que la potencia de salida mejore más. El valor típico de potencia de salida CW de QCLs DFB de rejilla uniforme enterrada emitiendo alrededor de 4,6–5 µm es menor a 300 mW a temperatura ambiente [5, 9]. Teóricamente, el coeficiente de acoplamiento de rejilla enterrada puede mejorarse optimizando la profundidad de rejilla y el ciclo de trabajo. Sin embargo, los niveles de rendimiento de realimentación distribuida son muy sensibles al perfil de grabado de rejilla en la capa semiconductor cerca del área activa. Cualquier pequeña variación de profundidad de grabado y ciclo de trabajo influiría fuertemente en el coeficiente de acoplamiento de rejilla [10, 11]. Además, también es difícil mejorar el acoplamiento de rejilla controlando precisamente la profundidad y ciclo de trabajo basándose en técnica de litografía holográfica de bajo coste y grabado químico húmedo. Generalmente, los QCLs DFB convencionales oscilan en dos frecuencias ligeramente desplazadas de la frecuencia de Bragg, que pueden laser dependiendo de la pérdida óptica influenciada por la fase aleatoria de la faceta [12,13,14].

En este trabajo, proponemos el uso de rejilla muestreada enterrada con pequeño ciclo de trabajo de muestreo para optimizar el coeficiente de acoplamiento y mejorar la distribución del campo óptico. La ventaja prominente de este método es que es capaz de aumentar la longitud de cavidad del dispositivo para ganancia óptica suficiente mientras mantiene una fuerza de acoplamiento de rejilla deseable. Para mejorar los rendimientos monomodo y rendimiento final, la posición de corte de las dos facetas finales se controla precisamente para evitar el efecto de la fase aleatoria de la faceta final. Por un lado, este enfoque retiene las ventajas de pequeña pérdida de guía de onda para baja densidad de corriente umbral y es compatible con procesamiento de heteroestructura enterrada. Además, la rejilla muestreada se fabrica solo mediante exposición holográfica convencional combinada con fotolitografía óptica, lo que conduce a mayor flexibilidad, repetibilidad y rentabilidad. Como resultado, se logran simultáneamente QCLs DFB de bajo umbral y alta potencia de salida monomodo emitiendo a λ ∼ 4,87 µm en la estructura de rejilla muestreada enterrada. La densidad de corriente umbral de estos QCLs DFB es tan baja como 1,05 kA/cm² y la faceta simple produjo 948 mW de potencia CW para el dispositivo con longitud de cavidad 6 mm a 20 °C.

Métodos

Un diagrama de la estructura DFB QCL de rejilla uniforme se muestra en Fig. 1a; las marcas I, II, III y IV representan las cuatro posibles posiciones de faceta final cortada. Como sabemos, es difícil controlar precisamente la posición de faceta cortada para rejilla uniforme a nanoescala. Como resultado, el modo de emisión es diferente de dispositivo a dispositivo pues la posición de faceta cortada es aleatoria. Aquí simulamos y calculamos la diferencia de pérdida de los dos modos laterales y espectros de pérdidas de modo de las cuatro posibles posiciones de faceta final cortada I, II, III y IV basados en el método de matriz de transferencia por MATLAB. El valor absoluto de diferencia de pérdida de los dos modos laterales de las cuatro posiciones de faceta final cortada I, II, III y IV se muestra en Fig. 1b; el eje x se representa como la posición relativa de I, II, III y IV (asumiendo que otra faceta comienza justo en el pico de rejilla y corresponde a fase cero, entonces las fases correspondientes de I, II, III y IV son 0, π/2, π y 3π/2). La Figura 1c, d, e y f muestran los espectros de pérdidas de modo de las cuatro posiciones de faceta final cortada en detalle. Como se ve, el modo laser y diferencia de pérdida son diferentes de dispositivo a dispositivo influenciados por la fase aleatoria de la faceta. La Figura 2a muestra la distribución normalizada del campo óptico correspondiente de las cuatro posibles posiciones de faceta final cortada I, II, III y IV simulada por el mismo método de matriz de transferencia. La Figura 2b y c son la amplificación de la distribución del campo óptico cerca de las dos facetas finales. Como se ve, la intensidad de ambas facetas finales no es completamente simétrica, causada por posición asimétrica de ambas facetas. Aquí mostramos la situación con fuerza de acoplamiento κ × L = 17, que es sobre-acoplado. Los picos de intensidad de luz en el centro del dispositivo decaen rápidamente hacia los dos extremos, lo que podría llevar a quema espacial severa, y a su vez, mantener operación monomodo estable puede volverse difícil [15].

a Diagrama de estructura de rejilla uniforme; las denotaciones I, II, III y IV representan las cuatro posibles posiciones de faceta final cortada. b Valores absolutos de diferencia de pérdida de modo para diferentes posiciones de faceta final cortada I, II, III y IV, y el eje x se representa como fase correspondiente de posiciones de faceta cortada I, II, III y IV. c–f Espectros de pérdidas de modo de las cuatro posibles posiciones de faceta final cortada I, II, III y IV, respectivamente

a Distribución óptica del campo correspondiente de la estructura de rejilla uniforme para las cuatro posiciones de faceta final cortada I, II, III y IV. b, c Amplificación de la distribución del campo óptico cerca de las dos facetas finales

Aquí tomamos medida de la estructura de rejilla muestreada para mejorar la distribución de intensidad óptica basada en el período de muestreo P = 15 µm y longitud de bloque u = 5 µm correspondiente al ciclo de trabajo de muestreo σ = u/P = 1/3, mostrado en Fig. 3a. La línea vertical punteada de Fig. 3a representa la posición de faceta cortada, que se desvía de la región de bloque para evitar la introducción de la fase aleatoria de la faceta final. El coeficiente de acoplamiento efectivo κ_eff puede darse simplemente por el producto del coeficiente de acoplamiento κ de la rejilla uniforme por el ciclo de trabajo σ de la rejilla muestreada, es decir, κ_eff = κ × σ [16]. Así, el coeficiente de acoplamiento de la rejilla muestreada podría ajustarse arbitrariamente por el ciclo de trabajo de la rejilla muestreada, lo que beneficia la optimización de la fuerza de acoplamiento de la rejilla muestreada. Como resultado, la potencia de salida podría mejorarse. La Figura 3b muestra el espectro de transmisión calculado de rejilla muestreada basado en método de matriz de transferencia y el espectro de electroluminiscencia (EL) medido bajo condición pulsada. Los λ₋₁ y λ₊₁ son los super-modos adicionales introducidos por la rejilla muestreada. La distancia espectral adyacente de super-modos puede calcularse por Δλ = λ_B²/(2n_effP) donde n_eff es el índice efectivo de la guía de onda y λ_B es la longitud de onda de Bragg de la rejilla uniforme básica [17]. Aunque la existencia de super-modos puede influir en la estabilidad monomodo, los super-modos pueden diseñarse lejos del centro de la curva de ganancia eligiendo un pequeño período de muestreo P según la fórmula de distancia espectral de super-modos. En nuestro estudio, el período básico de rejilla de Bragg Λ, período de muestreo P, índice efectivo de guía de onda n_eff 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 super-modos es alrededor de 246 nm. Como muestra Fig. 3b, la longitud de onda de Bragg (orden 0) se diseña alrededor del pico de la curva de ganancia, mientras que las longitudes de onda de orden +1 y −1 están a 246 nm del centro de la curva de ganancia por separado. Finalmente, emisión láser monomodo estable en el modo de orden 0 en nuestro estudio puede lograrse. La Figura 4a muestra la distribución simulada del campo óptico de la rejilla de muestreo a diferentes corrientes de inyección. Como se ve, ha habido una mejora dramática en la distribución de intensidad del campo óptico para la estructura de rejilla de muestreo en las dos facetas finales, lo que corresponde a una mejora mayor en potencia de salida. La Figura 4b es una amplificación de la distribución del campo óptico cerca de una de las facetas finales, y la Fig. 4c muestra la variación detallada de la intensidad relativa del campo óptico en la faceta final con corrientes de inyección. Como se muestra en Fig. 4b, el perfil de la distribución del campo óptico no es suave sino fluctuante. La fluctuación es causada por la "reflexión de interfaz" entre la región de bloque y región sin rejilla en cada período de muestreo induciendo una concentración de "densidad de energía localizada" a lo largo de la cavidad. Además, como se muestra en Fig. 4c, la variación de distribución de intensidad relativa de la faceta final es no lineal con las corrientes de inyección, lo que puede causar no linealidad en la curva potencia-corriente de dispositivos.

a Diagrama de la estructura de rejilla de muestreo, la línea vertical punteada representa la posición de faceta cortada, 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

a Distribución simulada del campo óptico de la rejilla de muestreo a diferentes corrientes de inyección. b Amplificación de la distribución del campo óptico cerca de una de las facetas finales. c Variación detallada de intensidad relativa del campo óptico en la faceta final con corrientes de inyección

La estructura QCL se creció sobre sustrato n-InP (Si, 2 × 10¹⁷ cm⁻³) por epitaxia de haz molecular de fuente sólida (MBE). El núcleo activo consistió en 40 etapas de pozos cuánticos y barreras In_0.67Ga_0.33As/In_0.37Al_0.63As compensados por tensión proporcionando el canal de transición de electrones para producir fotón, rodeado por capas de confinamiento InGaAs superior e inferior. La rejilla se definió en la capa de confinamiento InGaAs superior usando técnica de litografía holográfica de doble haz combinada con litografía óptica convencional. Luego, la capa de guía de onda superior se creció por epitaxia de fase vapor orgánico-metálico (MOVPE). Tras ello, la oblea se procesó en láser de guía de onda de doble canal con ancho de núcleo promedio ~ 10 µm relleno con InP:Fe semi-aislante para remoción eficiente de calor. Una capa SiO₂ de 450 nm se depositó luego por deposición química de vapor mejorada por plasma (PECVD) para aislamiento, y contacto eléctrico se proveyó por capa Ti/Au depositada por evaporación de haz de electrones. Una capa adicional de oro de 5 µm se electroplateó para mejorar disipación de calor. Tras adelgazar a ~ 140 µm, una capa de contacto metálico Ge/Au/Ni/Au se depositó en el lado del sustrato. Luego, las guías de onda se cortaron en barras de 4 mm y 6 mm de largo, y el recubrimiento de alta reflectividad (HR) consistente en Al₂O₃/Ti/Au/Al₂O₃ (200/10/100/120 nm) se depositó en una de las facetas por evaporación de haz de electrones, dejando una faceta sin recubrir para medición de potencia de emisión lateral. Finalmente, los láseres se montaron con el lado epilayer hacia abajo sobre disipador de diamante con soldadura de indio, que posteriormente se soldaron en disipadores de cobre para disipación de calor efectiva.

Resultados y Discusión

Los espectros de dispositivos se probaron por espectrómetro infrarrojo de transformada de Fourier con resolución de 0,25 cm⁻¹. Los láseres se montaron luego en un soporte conteniendo termistor combinado con enfriador termoeléctrico para monitorizar y ajustar temperatura del sub-montaje. La potencia óptica emitida se midió con detector termopila calibrado colocado frente a la faceta del láser sin corrección alguna.

Las Figuras 5 y 6 muestran los espectros de emisión y características luz-corriente-voltaje (L-I-V) de dispositivos con longitud de cavidad 4 mm y 6 mm QCLs DFB de rejilla muestreada, respectivamente. Como se ve, los espectros varían linealmente con la corriente de inyección o temperatura durante todos los procesos de prueba. En modo CW, la potencia óptica máxima de dispositivos es 649 mW y 948 mW a 20 °C para longitud de cavidad 4 mm y 6 mm a 1,2 A y 1,4 A, respectivamente. Además, se logra baja densidad de corriente umbral CW de dispositivos de 1,59 kA/cm² y 1,05 kA/cm² a 20 °C para longitud de cavidad 4 mm y 6 mm, lo que refleja plenamente la ventaja de pequeña pérdida de guía de onda y baja densidad de corriente umbral de rejilla enterrada. Como hemos observado de los espectros de emisión láser, el modo laser es lineal con los cambios de temperatura o corriente de inyección, indicando que salto de modo no ocurre en el curso de cambio de corriente de inyección o temperatura. Sin embargo, las curvas potencia-corriente no son lineales, causada por las fluctuaciones de la distribución del campo óptico de la estructura de rejilla de muestreo y el cambio no uniforme de intensidad del campo óptico de las facetas finales con las corrientes de inyección analizadas antes.

a Espectros de emisión CW monomodo de QCL DFB rejilla muestreada con longitud de cavidad 4 mm a corrientes ~ 1,1 × I_th para diferentes temperaturas de disipador de calor 15–70 °C. El inset muestra espectros de emisión CW a diferentes corrientes de inyección de 0,63 a 1,08 A con paso 0,05 A a 20 °C. b Características CW luz-corriente-voltaje (L-I-V) de QCL DFB rejilla muestreada con longitud de cavidad 4 mm a diferentes temperaturas

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

La Figura 7 muestra los perfiles de campo lejano del dispositivo en operación pulsada ~ 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 cresta, y Fig. 7b muestra el perfil de campo lejano a lo largo de la dirección de crecimiento epitaxial. Estudios experimentales demostraron que un modo transversal fundamental podría convertirse más fácilmente en modo laser en estructura de rejilla enterrada que en estructura de rejilla metálica superficial porque la pérdida del modo transversal fundamental aumenta debido al acoplamiento entre modo transversal fundamental y contacto metálico superior en estructura de rejilla metálica superficial [6]. Según eso, se ha obtenido en nuestro experimento perfil de campo lejano del modo transversal fundamental con ancho a media altura (FWHM) de 28,2° a lo largo de dirección de ancho de cresta. Así, otra ventaja obvia de conformación de rejilla enterrada es que el modo laser es generalmente modo transversal fundamental con perfil de campo lejano de un solo lóbulo, lo que favorece la colimación. Además, se obtiene FWHM grande de 50,1° a lo largo de dirección de crecimiento epitaxial debido a pequeña apertura de emisión que es del mismo orden que la longitud de onda.

a Perfil de campo lejano a lo largo de la dirección del ancho de cresta. b Perfil de campo lejano a lo largo de la dirección de crecimiento epitaxial

Conclusiones

En conclusión, se han logrado QCLs DFB de rejilla de muestreo de bajo umbral, alta potencia de salida y emisión monomodo estable. La potencia máxima de salida CW y densidad de corriente umbral son 0,948 W (0,649 W) y 1,05 kA/cm² (1,59 kA/cm²) para cavidad de 6 mm (4 mm). Una mejora mayor en la distribución del campo óptico se realiza introduciendo el pequeño ciclo de trabajo de muestreo para reducir la fuerza de acoplamiento. Un perfil de campo lejano de un solo lóbulo también se observa. Así, para láseres cuánticos de cascada de realimentación distribuida enterrados, incorporar rejilla muestreada es un método simple y efectivo para lograr dispositivos con alta potencia de salida, bajo umbral, emisión monomodo estable y altos rendimientos monomodo.

Abreviaturas

CW:

Onda continua

DFB:

Realimentación distribuida

EL:

Electroluminiscencia

FWHM:

Ancho a media altura

HR:

Alta reflectividad

L–I–V:

Luz-corriente-voltaje

MBE:

Epitaxia de haz molecular

MOVPE:

Epitaxia de fase vapor orgánico-metálico

PECVD:

Deposición química de vapor mejorada por plasma

QCL:

Láser cuántico de cascada

Esferas de Carbono Monodispersas de Tamaño Ajustable Sintetizadas con Copolímero Tribloco: Rendimiento Mejorado de Capacitores ALD Al₂O₃ a Temperatura Ambiente Permite TFTs a-IGZO de Ultra-Bajo Presupuesto Térmico y Alta Movilidad