Saltos de modo inusuales a longitud de onda corta en láseres de cascada cuántica DBR de alta potencia

Resumen

Reportamos saltos de modo inesperados a longitud de onda corta en láseres de cascada cuántica (QCL) con reflector de Bragg distribuido (DBR) emitiendo cerca de 7,6 µm. Dispositivos de dos secciones —ganancia y sección de Bragg no bombeada— entregan >0,6 W CW a temperatura ambiente. Contrario a la deriva convencional a longitud de onda larga con temperatura o corriente de inyección crecientes, el modo de láser ocasionalmente salta a una longitud de onda más corta. El análisis modal muestra que cambios de índice de refracción inducidos por temperatura desplazan los modos longitudinales más rápido que el pico de Bragg, llevando a las transiciones observadas.

Introducción

Los láseres de cascada cuántica difieren de los láseres semiconductores convencionales al operar en transiciones inter‑subbanda dentro de la banda de conducción, permitiendo emisión en infrarrojo medio a lejano. Su amplia cobertura espectral los hace indispensables para detección de gases, espectroscopía de alta resolución y monitoreo industrial. Sin embargo, muchas aplicaciones requieren linewidth estrecho y alta potencia de salida. Los QCL de realimentación distribuida (DFB) y cavidad externa (EC) típicamente proporcionan operación de modo único pero se limitan a ~100 mW de salida y rangos de sintonía estrechos. Un QCL DBR ofrece una plataforma compacta para emisión de modo único de alta potencia, sin embargo, su comportamiento espectral detallado ha sido poco explorado. Aquí presentamos QCL DBR e investigamos en profundidad el salto anómalo de modo.

Métodos

La rejilla DBR se definió mediante interferometría holográfica de doble haz. El dispositivo comprende una sección de ganancia (L_G), una sección DBR (L_DBR) y una ranura de aislamiento de corriente. El núcleo QCL se creció sobre n‑InP por MBE de fuente sólida, usando 50 pozos cuánticos In_0,58Ga_0,42As/In_0,47Al_0,53As compensados por deformación (ver secuencia de espesores en la fuente). Una capa de 100 nm SiO₂ se depositó sobre la capa de confinamiento superior; la región DBR se grabó a profundidad ~130 nm, seguida de remoción de SiO₂. La guía de onda superior se regeneró por MOVPE, produciendo un revestimiento InP superior de 3 µm, una capa InP graduadamente dopada de 0,15 µm y una capa de contacto InP altamente dopada de 0,85 µm. La oblea se procesó en guía de onda de cresta de doble canal (ancho de núcleo ≈10 µm) con InP:Fe semi‑aislante para aislamiento térmico y eléctrico. Una ranura de aislamiento de corriente de 200 µm (profundidad 1,1 µm) separó las secciones de ganancia y DBR. Tras aislamiento SiO₂, se depositaron contactos Ti/Au y se electroplateó una capa de Au de 5 µm para disipación de calor. Dispositivos (6 mm de largo) se cortaron a 4,3 mm ganancia, 1,5 mm DBR y 0,2 mm regiones de aislamiento, luego se soldaron lado epilayer hacia abajo sobre disipador de diamante y montura de cobre.

Resultados y discusión

Los espectros de emisión se registraron con un espectrómetro infrarrojo de transformada de Fourier (resolución 0,125 cm⁻¹). Características P–I–V se midieron con detector termopila calibrado. El láser se montó en un soporte equipado con termistor y enfriador termoeléctrico para controlar la temperatura del sub‑montaje. La Figura 2a muestra los espectros CW a 1,005 I_th mientras la temperatura del disipador varió de 20 °C a 70 °C en pasos de 2 °C. El recuadro de la Figura 2b traza el espectro a 24 °C en escala logarítmica, revelando una relación de supresión de modo lateral (SMSR) de ≈25 dB. A diferencia de los QCL DFB convencionales, que se desplazan a longitudes de onda más largas linealmente con temperatura o corriente, nuestros dispositivos DBR exhiben saltos anómalos de modo a longitud de onda corta al aumentar la temperatura. Para explicar esto, examinamos el mecanismo de selección de modo. La Figura 3a muestra la curva de ganancia de oblea medida y el perfil de reflexión de Bragg calculado (98 % reflectividad para rejilla de 1,5 mm). El esquema en la Figura 3b muestra cómo el pico de ganancia, pico de Bragg y modos longitudinales se desplazan con temperatura. El pico de ganancia se mueve a −0,581 cm⁻¹ K⁻¹, mientras que el pico de Bragg se desplaza a −0,128 cm⁻¹ K⁻¹. Como el pico de Bragg permanece en el lado de longitud de onda más corta de la ganancia, los modos longitudinales, que siguen el cambio de índice de refracción, eventualmente se mueven más rápido que el pico de Bragg, forzando un salto de modo al siguiente modo longitudinal disponible. Esto explica los saltos anómalos observados. El espaciado de modo longitudinal se calculó a partir de la longitud de cavidad efectiva: L_eff = (1/2κ) tanh(κL_DBR), donde κ = (1/Λ)(Δn̄/n̄). Para un DBR físico de 1,5 mm, L_eff ≈0,291 mm, produciendo un espaciado teórico de 0,328 cm⁻¹, en excelente concordancia con los intervalos experimentales de 0,12 cm⁻¹ observados. La Figura 5 ilustra el mismo fenómeno con corriente de inyección creciente. El primer salto anómalo abarca 0,904 cm⁻¹ (cruzando tres modos), seguido por un salto de 0,301 cm⁻¹. La curva P–I muestra discontinuidades claras en cada salto, comportamiento ausente en QCL DFB estándar. La Figura 6 compara el láser DBR con un láser Fabry–Perot (FP) de 4 mm. El FP alcanza 987 mW, mientras que el DBR logra 656 mW a 20 °C y 235 mW a 70 °C, la mayor potencia reportada de modo único para QCL IR de onda larga. Distribuciones de campo óptico simuladas (Figura 6b) revelan que el DBR mantiene alta intensidad en la sección de ganancia mientras atenúa rápidamente en el DBR, permitiendo operación de cavidad larga sin sobre‑acoplamiento —una ventaja sobre láseres DFB.

Conclusiones

Hemos demostrado QCL DBR de alta potencia con >0,6 W salida CW a temperatura ambiente. El análisis detallado de saltos anómalos de modo a longitud de onda corta proporciona conocimiento sobre la dinámica de selección de modo en dispositivos DBR. La arquitectura DBR permite operación de cavidad larga, modo único con extracción de potencia superior, posicionándola como plataforma prometedora para aplicaciones de láser infrarrojo medio de alta potencia.

Disponibilidad de datos y materiales

Todos los datos están completamente disponibles sin restricción.

Abreviaturas

CW

Onda continua

DBR

Reflector de Bragg distribuido

DFB

Realimentación distribuida

EC

Cavidad externa

FP

Fabry–Perot

MBE

Epitaxia de haz molecular

MOVPE

Epitaxia de fase vapor metal‑orgánica

P–I–V

Potencia‑corriente‑voltaje

QCL

Láser de cascada cuántica

SMSR

Relación de supresión de modo lateral