Laser Kuantum Cascade DFB Emitting Substrat Ultra-Rendah Daya: Ambang 0,43 W pada 25 °C
Abstrak
Dalam karya ini, laser kuantum cascade (QCL) distribuasi umpan balik (DFB) emitting substrat dengan konsumsi daya ultra-rendah dikembangkan. Dissipasi daya ambang gelombang kontinu (CW) diturunkan menjadi 0,43 W pada 25 °C dengan memperpanjang panjang rong ke 0,5 mm dan menyetapkan lapisan refleksi tinggi (HR) pada kedua sisi. Sejauh kami tahu, ini adalah dissipasi daya ambang tertinggi yang tercatat dari QCL dalam kondisi yang sama. Emisi mode tunggal dicapai dengan menggunakan grating beriasi kedua yang terendap. Emisi tanpa mode-hop dapat diamati dalam rentang suhu yang luas dari 15 hingga 105 °C dalam mode CW. Sudut divergensi adalah 22,5° dan 1,94° dalam arah lebar rong dan panjang rong, masing-masing. Daya optik maksimum dalam operasi CW adalah 2,4 mW pada 25 °C, yang cukup untuk aplikasi spektroskopi.
Latar Belakang
Dalam beberapa tahun terakhir, laser kuantum cascade (QCL) telah mengalami perkembangan yang pesat dan menjadi sumber paling menjanjikan di wilayah frekuensi inframerah tengah [1,2,3]. Dengan manfaat dari daya tinggi, operasi mode tunggal, dan ukuran yang kecil, DFB QCL telah banyak digunakan dalam banyak aplikasi seperti deteksi gas langka, komunikasi ruang bebas, dan analisis zat [4,5,6]. Namun, kekurangan yang tersisa dari QCL adalah dissipasi daya listrik yang tinggi, yang telah membatasi aplikasinya dalam beberapa sistem portable dan terintegrasi tinggi. Untuk menurunkan dissipasi daya, metode paling sederhana adalah mengurangi ukuran geometri perangkat, seperti memendekkan rong dan menyempitkan rong. Lapisan HR juga sangat efektif untuk mengurangi kerugian cermin. Beberapa studi telah dilakukan untuk mengurangi dissipasi daya ambang FP QCL dengan menggunakan rong pendek dan menyetapkan lapisan HR [7] atau lapisan HR parsial (PHR) pada sisi [8], di mana dissipasi daya rendah hingga 1,2 W pada 22 °C dan 0,83 W pada 25 °C telah ditunjukkan oleh A. C. Richard et al. dan Y. Bai et al., masing-masing. Metode ini juga dapat diterapkan pada perangkat DFB. Pada 2014, Ryan M. Briggs et al. melaporkan DFB QCL mode tunggal yang memancar pada 4,8 μm dengan dissipasi daya ambang CW 0,76 W dan daya optik maksimum sekitar 17 mW pada 20 °C [9]. Pada 2015, A. Bismuto et al. menunjukkan DFB QCL mode tunggal rong pendek, rong sempit yang memancar pada 4,5 μm dengan dissipasi daya ambang CW rendah hingga 0,5 W pada 20 °C [10]. Daya optik maksimum sekitar 150 mW; namun, daya listrik yang disuntik lebih dari 6 W. Metode lain seperti optimisasi dopant dan struktur aktif periode rendah juga telah diteliti [7, 11]. Untuk QCL emitting tepi, lapisan HR biasanya disetapkan pada sisi belakang dan meninggalkan sisi depan tanpa lapisan atau dilapisi PHR untuk mengurangi kerugian cermin sambil mempertahankan daya optik yang dipancarkan dari sisi depan. Sebaliknya, kedua sisi dapat dilapisi HR untuk emitting substrat untuk mengurangi kerugian cermin lebih lanjut karena cahaya dipancarkan dari substrat bukan dari sisi depan. Selain itu, distribusi far-field yang ditingkatkan dapat diharapkan dari QCL emitting substrat [12, 13]. Menurut karya kami terbaru, DFB QCL emitting substrat dengan dissipasi daya ambang rendah 1,27 W pada 20 °C diperoleh dengan menyetapkan lapisan HR pada kedua sisi [14]. Wilayah aktif di Ref [14] terdiri dari 40 periode superlattice, dan tegangan ambang sekitar 13 V. Tegangan ambang yang lebih rendah, dan oleh karena itu dissipasi daya ambang yang lebih rendah, dapat diharapkan jika jumlah periode wilayah aktif dikurangi. Panjang rong 1 mm juga dapat diperpendek lebih lanjut dengan merancang grating beriasi kedua yang terendap dengan baik untuk menurunkan dissipasi daya ambang.
Dalam karya ini, DFB QCL emitting substrat dengan konsumsi daya ultra-rendah dikembangkan. Dissipasi daya ambang dalam mode CW rendah hingga 0,4 W pada 15 °C dan 0,43 W pada 25 °C dengan memperpanjang panjang rong ke 0,5 mm dan menyetapkan lapisan HR pada kedua sisi. Daya optik maksimum dalam mode CW adalah 2,4 mW pada 25 °C, yang cukup untuk aplikasi spektroskopi. Emisi mode tunggal dicapai dengan menggunakan grating beriasi kedua yang terendap. Sudut divergensi adalah 22,5° dan 1,94° FWHM dalam arah lebar rong dan panjang rong, masing-masing. Distribusi far-field berdua lob dalam arah panjang rong menunjukkan bahwa mode anti-simetris diuntungkan. Perangkat ini dapat beroperasi dalam mode CW tanpa mode-hop dalam rentang suhu yang luas dari 15 hingga 105 °C dan akan sangat cocok dalam aplikasi portable terintegrasi tinggi.
Metode
Wilayah aktif perangkat didasarkan pada desain resonansi dua-fonon kompensasi regangan yang memancar pada ~4,6 μm. Wafer ditanam pada substrat InP yang di-dope n (Si, 2 × 10^17 cm⁻³) oleh epitaksi ray molecular beam (MBE). Tiga puluh tahap In₀,₆₇Ga₀,₃₃As/In₀,₃₆Al₀,₆₄As kubus kuantum dan penghalang disertakan dalam inti aktif, yang mirip dengan Ref. [15] Susunan lapisan seluruhnya adalah sebagai berikut: lapisan penutup bawah 1,2 μm-tebal (Si, 2,2 × 10^16 cm⁻³), lapisan n-In₀,₅₃Ga₀,₄₇As 0,3 μm-tebal (Si, 4 × 10^16 cm⁻³), 30 tahap aktif/injektor, lapisan n-In₀,₅₃Ga₀,₄₇As 0,3 μm-tebal (Si, 4 × 10^16 cm⁻³), dan lapisan penutup waveguide atas. Untuk memproduksi grating yang terendap, lapisan penutup waveguide atas dihapus hingga ke lapisan InGaAs atas. Grating kedua orde dengan periode Λ = 1,42 μm (siklus kerja σ = 0,45, kedalaman d = 130 nm) didefinisikan pada lapisan InGaAs atas 0,3 μm-tebal oleh teknologi litografi holografik dan perekanan kimia basah. Gambar 1a menunjukkan citra SEM dari grating kedua orde yang terendap. Setelah itu, lapisan InP rendah-dope 3 μm-tebal (Si, 2,2 × 10^16 cm⁻³) diikuti oleh lapisan InP gradualmente di-dope 0,15 μm (Si, dari 1 × 10^17 hingga 3 × 10^17 cm⁻³) dan lapisan penutup InP tinggi-dope 0,4 μm (Si, 5 × 10^18 cm⁻³) dilakukan secara berurutan sebagai penutup atas oleh epitaksi fasa uap logam-organik (MOVPE).
a Citra SEM dari grating yang terendap dan b koefisien kopling yang disimulasikan dan kekuatan kopling dari grating beriasi kedua yang terendap dengan COMSOL
Setelah implementasi regrowth, wafer dietch menjadi struktur waveguide saluran ganda dengan lebar inti rata-rata 7 μm. Kemudian, SiO₂ 450 nm-tebal ditambahkan oleh depoersi uap kimia yang ditingkatkan plasma (PECVD) untuk isolasi. Jendela injeksi elektron 2 μm-wide dihaluskan pada lapisan SiO₂ dari rong, dan kontak listrik disediakan oleh lapisan Ti/Au. Untuk dissipasi panas yang lebih baik, lapisan Au tambahan 4 μm-tebal dielectroplate. Sebelum pemotongan sebenarnya, simulasi besar untuk desain grating beriasi kedua yang terendap dilakukan dengan perangkat lunak elemen hingga (COMSOL), yang mirip dengan Ref. [16] Setelah dipipihkan menjadi 150 μm, waveguide dipotong menjadi perangkat panjang 0,5- dan 1-mm, yang sesuai dengan kekuatan kopling 0,54 ~ 1,77 dan 1,08 ~ 3,55, masing-masing. Kemudian, kedua sisi perangkat ini dilapisi HR oleh e-beam evaporation. Lapisan HR terdiri dari Al₂O₃/Ti/Au/Al₂O₃ (200/10/100/120). Perangkat dipasang epi-layer down pada penutup panas tembaga dengan solder indium, dan kemudian diwire bond ke kontak pad eksternal.
Pengujian perangkat dilakukan pada stage TEC dengan termistor yang mengatur dan memantau suhu penutup panas. Daya output QCL diukur oleh detektor termopil terkalibrasi (Coherent, EMP1000) yang ditempatkan tepat di depan perangkat dengan tabung logam yang mengumpulkan emisi laser. Kemudian, perangkat ditempatkan pada stage rotasi yang dikontrol motor langkah dengan resolusi 0,01° untuk uji distribusi far-field dan detektor HgCdTe suhu ruang (Vigo, PVMI-10.6) ditempatkan di depan laser dengan jarak 30 cm untuk mendeteksi radiasi. Pengukuran spektrum dilakukan menggunakan spektrometer FTIR (Thermo Fisher Scientific, Nicolet 8700) dengan resolusi 0,25 cm⁻¹ dalam mode scan cepat.
Hasil dan Pembahasan
Hasil simulasi COMSOL ditunjukkan sebagai Gambar 1b. Menurut perhitungan, koefisien kopling |κ| = 35,5 ~ 10,75 cm⁻¹ diperoleh untuk grating yang terendap dengan siklus kerja 0,35 ~ 0,45 dan kedalaman perekan 180 nm. Kekuatan kopling g = |κ|L, di mana L adalah panjang rong QCL. Untuk emissi permukaan yang efisien, kekuatan kopling 1–2 selalu diperlukan. Untuk perangkat dengan panjang rong 1 dan 0,5 mm, kekuatan kopling yang disimulasikan berada dalam rentang 3,55 ~ 1,07 dan 1,78 ~ 0,54 ketika siklus kerja 0,35 ~ 0,45. Oleh karena itu, desain grating yang terendap sangat penting untuk perangkat panjang rong pendek.
Yang sangat menarik adalah karakterisasi listrik. Kurva L-I-V dari perangkat dengan panjang rong berbeda ditunjukkan sebagai Gambar 2. Laser beroperasi dalam mode CW dan suhu penutup panas diatur oleh pengontrol suhu (Thorlabs, ITC-QCL-4000). Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2a, perangkat dengan rong panjang 1 mm menunjukkan arus ambang 65 mA pada 25 °C, yang sesuai dengan densitas arus ambang 0,54 kA/cm⁻² dan dissipasi daya 0,67 W. Daya optik maksimum adalah 8,6 mW dengan daya listrik yang disuntik 1,66 W, dan efisiensi lereng adalah 0,11 W/A. Pada suhu tinggi 65 °C, daya optik maksimum masih lebih dari 5 mW. Untuk perangkat panjang rong 0,5 mm, arus ambang dan dissipasi daya diturunkan menjadi 39 mA dan 0,4 W pada 15 °C, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2b. Densitas arus ambang adalah 0,65 kA/cm⁻². Daya optik maksimum 2,8 mW diimpulkan ketika daya listrik yang disuntik adalah 0,74 W. Pada 25 °C, arus ambang sedikit bertambah menjadi 41 mA, yang sesuai dengan konsumsi daya 0,43 W. Sejauh kami tahu, ini adalah konsumsi daya ambang terendah dari QCL pada suhu yang sama. Daya optik maksimum dari perangkat ini adalah 2,4 mW dengan dissipasi daya 0,76 W, yang sangat mampu untuk beberapa aplikasi sensor terintegrasi tinggi. Pada 35 °C, daya optik maksimum sekitar 1,9 mW. Perangkat ini dapat beroperasi pada suhu hingga 105 °C dalam mode CW, namun daya output akan menjadi kecil dan terlalu sulit untuk terdeteksi secara akurat. Dibandingkan dengan karya-karya sebelumnya di Ref [9,10,11], daya optik maksimum dari desain kami tidak luar biasa karena efisiensi wall-plug yang rendah dari perangkat. Ini secara inherent dibatasi oleh kualitas wafer epitaksi. Selain itu, efisiensi wall-plug maksimum dari perangkat panjang rong 0,5 mm adalah 0,32% pada suhu ruang, lebih rendah dari perangkat panjang rong 1 mm, yaitu 0,5%.
Karakteristik L-I-V dari perangkat 1 mm (a) dan 0,5 mm (b)
Karakterisasi spektrum laser ditunjukkan dalam Gambar 3. Keduanya perangkat 1 dan 0,5 mm dapat beroperasi dalam mode CW tanpa mode hop dalam rentang suhu yang luas dari 15 hingga 105 °C. Ini adalah suhu operasi tertinggi di semua QCL konsumsi daya rendah. Suhu operasi yang tinggi ini terutama berasal dari pengurangan kerugian cermin yang disebabkan oleh lapisan HR pada sisi. Koefisien pergeseran suhu adalah −0,21 cm⁻¹/K dan −0,19 cm⁻¹/K, masing-masing. Ada perbedaan kecil antara rentang spektrum dari dua perangkat pada rentang suhu yang sama, yang mungkin disebabkan oleh proses litografi dan perekanan grating yang tidak seragam. Rasio menekan sisi-mode (SMSR) dari perangkat sekitar 25 dB. Kemampuan tuning linier yang baik, mode tunggal, dan suhu operasi tinggi membuat perangkat ini sangat berguna dalam beberapa aplikasi nyata seperti deteksi gas langka.
Spektrum lasing dari perangkat a 0,5 dan b 1 mm panjang rong
Distribusi far-field dari perangkat 0,5 mm ditunjukkan dalam Gambar 4. Dalam arah lebar rong, pola lob tunggal dengan sudut divergensi 22,5° (FWHM) diamati, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4a. Gambar 4b menunjukkan pola far-field dalam arah panjang rong. Pola far-field menunjukkan bahwa mode anti-simetris diuntungkan, yang disebabkan oleh ketidakteraturan pemotongan tangan dan refleksi sisa sisi [16]. Mode simetris dapat diperoleh dengan penggunaan grating DBR pada kedua sisi wilayah grating DFB untuk menghilangkan refleksi sisi potong yang tidak terkontrol [17].
Distribusi far-field dari perangkat panjang rong 0,5 mm. a, b Distribusi far-field dalam arah lebar rong dan panjang rong, masing-masing
Kesimpulan
Kami telah mengembangkan DFB QCL emitting substrat dengan dissipasi daya ambang ultra-rendah 0,43 W pada 25 °C yang beroperasi dalam mode CW dengan memperpanjang panjang rong ke 0,5 mm dan menyetapkan lapisan HR pada kedua sisi. Daya optik maksimumnya adalah 2,4 mW, dan dissipasi daya yang sesuai adalah 0,76 W. Emisi mode tunggal tanpa mode-hop diperoleh dalam rentang suhu yang luas dari 15 hingga 105 °C dengan menentukan grating DFB beriasi kedua yang terendap. Sudut divergensi adalah 22,5° dan 1,94° dalam arah lebar rong dan panjang rong, masing-masing. Karakteristik konsumsi daya rendah dari perangkat ini dapat menjadikannya sumber cahaya yang menjanjikan dalam beberapa sistem portable yang didukung baterai.
