Konsumsi Daya Rendah Substrat-Emitting DFB Quantum Cascade Lasers
Abstrak
Dalam karya ini, laser kaskade kuantum (QCL) dengan konsumsi daya sangat rendah dengan umpan balik terdistribusi yang memancarkan substrat dengan konsumsi daya yang sangat rendah. Disipasi daya ambang gelombang kontinu (CW) dikurangi menjadi 0,43 W pada 25 °C dengan memperpendek panjang rongga menjadi 0,5 mm dan mendepositkan lapisan reflektifitas tinggi (HR) pada kedua sisi. Sejauh yang kami ketahui, ini adalah disipasi daya ambang batas QCL yang tercatat dalam kondisi yang sama. Emisi mode tunggal dicapai dengan menggunakan kisi orde kedua yang terkubur. Emisi bebas mode-hop dapat diamati dalam rentang suhu yang luas dari 15 hingga 105 °C dalam mode CW. Sudut divergensi adalah 22,5
o
dan 1,94
o
dalam arah lebar punggungan dan arah panjang rongga, 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 kaskade kuantum (QCLs) telah mengalami perkembangan pesat dan menjadi sumber yang paling menjanjikan di wilayah frekuensi inframerah menengah [1,2,3]. Diuntungkan dari daya tinggi, operasi mode tunggal dan ukuran yang ringkas, QCL umpan balik terdistribusi (DFB) telah banyak digunakan dalam banyak aplikasi seperti penginderaan jejak-gas, komunikasi ruang bebas, dan analisis zat [4,5,6]. Namun, kelemahan QCL yang tersisa adalah disipasi daya listriknya yang tinggi, yang membatasi penerapannya di beberapa sistem portabel dan sangat terintegrasi. Untuk mengurangi disipasi daya, metode yang paling mudah adalah dengan mengurangi ukuran geometri perangkat, seperti memperpendek rongga dan mempersempit punggungan. Lapisan reflektifitas tinggi (HR) juga sangat efektif untuk mengurangi kehilangan cermin. Beberapa penelitian telah dilakukan untuk mengurangi disipasi daya ambang Fabry-Perot (FP) QCLs dengan menggunakan rongga pendek dan mendepositkan lapisan HR [7] atau lapisan reflektifitas tinggi parsial (PHR) pada faset [8], di mana daya yang dihamburkan serendah 1,2 W pada 22 °C dan 0,83 W pada 25 °C telah ditunjukkan oleh AC Richard et al. dan Y. Bai et al., masing-masing. Metode ini juga dapat diterapkan ke perangkat DFB. Pada tahun 2014, Ryan M. Briggs dkk. melaporkan DFB QCL mode tunggal yang memancarkan pada 4,8 μm dengan konsumsi daya ambang batas CW sebesar 0,76 W dan daya optik maksimum sekitar 17 mW pada 20 °C [9]. Pada tahun 2015, A. Bismuto dkk. mendemonstrasikan rongga pendek, QCL DFB mode tunggal punggungan sempit yang memancarkan pada 4,5 μm dengan daya disipasi ambang batas CW serendah 0,5 W pada 20 °C [10]. Daya optik maksimum sekitar 150 mW; namun, daya listrik yang diinjeksikan lebih dari 6 W. Metode lain seperti optimasi doping dan struktur aktif periode rendah juga telah diselidiki [7, 11]. Untuk QCL yang memancarkan tepi, pelapis HR biasanya disimpan di facet belakang dan membiarkan facet depan tidak dilapisi atau dilapisi PHR untuk mengurangi kehilangan cermin sambil mempertahankan daya optik yang dipancarkan dari facet depan. Sebagai gantinya, kedua faset dapat dilapisi HR untuk pemancaran substrat untuk lebih mengurangi kehilangan cermin karena cahaya dipancarkan dari substrat, bukan faset depan. Selain itu, distribusi medan jauh yang lebih baik dapat diharapkan dari QCL pemancar substrat [12, 13]. Menurut pekerjaan kami baru-baru ini, DFB QCL pemancar substrat dengan disipasi daya ambang rendah 1,27 W pada 20 ° C diperoleh dengan mendepositkan pelapisan HR pada kedua sisi [14]. Wilayah aktif dalam Ref [14] terdiri dari 40 periode superlattice, dan tegangan ambang sekitar 13 V. Tegangan ambang yang lebih rendah, dan dengan demikian, disipasi daya ambang yang lebih rendah dapat diharapkan jika jumlah periode wilayah aktif dikurangi. Panjang rongga 1 mm juga dapat lebih dipersingkat dengan merancang kisi orde kedua yang terkubur dengan benar untuk mengurangi disipasi daya ambang batas.
Dalam karya ini, DFB QCL pemancar substrat dengan konsumsi daya sangat rendah dikembangkan. Disipasi daya ambang batas yang bekerja dalam mode CW adalah serendah 0,4 W pada 15 °C dan 0,43 W pada 25 °C dengan memperpendek panjang rongga menjadi 0,5 mm dan meletakkan lapisan HR di 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 kisi orde kedua yang terkubur. Sudut divergensi adalah 22,5
o
dan 1,94
o
lebar penuh pada setengah maksimum (FWHM) di arah lebar punggungan dan arah panjang rongga, masing-masing. Distribusi medan jauh lobus ganda dalam arah panjang rongga menunjukkan bahwa mode anti-simetris lebih disukai. 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 portabel terintegrasi tinggi.
Metode
Wilayah aktif perangkat didasarkan pada desain resonansi dua fonon kompensasi-regangan yang dipancarkan pada ~ 4,6 μm. Wafer ditumbuhkan pada n-doped (Si, 2 × 10
17
cm
− 3
) Substrat InP oleh epitaksi berkas molekul sumber padat (MBE). Tiga puluh tahap Dalam0,67 Ga0,33 Sebagai/Dalam0,36 Al0,64 Karena sumur kuantum dan penghalang dimasukkan dalam inti aktif, yang mirip dengan Ref. [15] Seluruh urutan lapisan adalah sebagai berikut:Lapisan kelongsong bawah setebal 1,2 m (Si, 2.2 × 10
16
cm
− 3
), 0,3-μm-tebal n-In0,53 Ga0,47 Sebagai lapisan (Si, 4 × 10
16
cm
− 3
), 30 tahap aktif/injektor, n-In setebal 0,3μm0,53 Ga0,47 Sebagai lapisan (Si, 4 × 10
16
cm
− 3
), dan pemutar kelongsong pandu gelombang teratas. Untuk membuat kisi yang terkubur, lapisan kelongsong pandu gelombang atas dipindahkan ke lapisan InGaAs atas. Kisi orde kedua dengan periode Λ = 1,42 μm (siklus tugas σ = 0,45, kedalaman d = 130 nm) ditentukan pada lapisan InGaAs atas setebal 0,3 m oleh teknologi litografi holografik dan etsa kimia basah. Gambar 1a menunjukkan gambar mikroskop elektron pemindaian (SEM) dari kisi orde kedua yang terkubur. Setelah itu, lapisan InP dengan doping rendah setebal 3 m (Si, 2.2 × 10
16
cm
− 3
) diikuti oleh 0,15 μm lapisan InP yang diolah secara bertahap (Si, dari 1 × 10
17
hingga 3 × 10
17
cm
− 3
) dan lapisan kelongsong InP doping tinggi 0,4 m (Si, 5 × 10
18
cm
− 3
) diselesaikan secara berurutan sebagai lapisan atas dengan epitaksi fase uap logam-organik (MOVPE).
a Gambar SEM dari kisi yang terkubur dan b koefisien kopling yang disimulasikan dan kekuatan kopling dari kisi orde kedua yang terkubur dengan COMSOL
Setelah penerapan pertumbuhan kembali, wafer diukir ke dalam struktur pandu gelombang saluran ganda dengan lebar inti rata-rata 7 m. Kemudian, SiO setebal 450 nm2 diendapkan oleh deposisi uap kimia yang ditingkatkan plasma (PECVD) untuk isolasi. Jendela injeksi elektron selebar 2 m dipolakan pada SiO2 lapisan punggungan, dan kontak listrik disediakan oleh lapisan Ti/Au. Untuk pembuangan panas yang lebih baik, lapisan Au setebal 4 m tambahan dilapisi. Sebelum benar-benar membelah, simulasi besar-besaran untuk desain kisi terkubur orde kedua diimplementasikan dengan perangkat lunak metode elemen hingga (COMSOL), yang mirip dengan Ref. [16] Setelah menipis hingga 150 μm, pandu gelombang dibelah menjadi perangkat dengan panjang 0,5 dan 1 mm, sesuai dengan kekuatan kopling masing-masing 0,54 ~ 1,77 dan 1,08 ~ 3,55. Kemudian, kedua sisi perangkat ini dilapisi HR dengan penguapan e-beam. Lapisan HR terdiri dari Al2 O3 /Ti/Au/Al2 O3 (200/10/100/120). Perangkat tersebut dipasang secara epi-layer pada heat sink tembaga dengan solder indium, dan kemudian, diikat dengan kawat ke bantalan kontak eksternal.
Pengujian perangkat dilakukan pada tahap thermo-electric cooler (TEC) dengan termistor yang mengatur dan memantau suhu heat sink. Daya keluaran QCL diukur dengan detektor thermopile terkalibrasi (Coherent, EMP1000) yang diletakkan tepat di depan perangkat dengan tabung logam yang mengumpulkan emisi laser. Kemudian, perangkat diletakkan pada tahap rotasi yang dikendalikan motor langkah dengan resolusi 0,01
o
untuk uji distribusi medan jauh dan detektor HgCdTe suhu ruangan (Vigo, PVMI-10.6) diletakkan di depan laser dengan jarak 30 cm untuk mendeteksi radiasi. Pengukuran spektrum dilakukan menggunakan spektrometer Fourier transform infrared (FTIR) (Thermo Fisher Scientific, Nicolet 8700) dengan resolusi 0,25 cm
− 1
dalam mode pemindaian cepat.
Hasil dan Diskusi
Hasil simulasi COMSOL ditunjukkan pada Gambar 1b. Menurut perhitungan, koefisien kopling dari |κ| = 35,5 ~ 10,75 cm
− 1
diperoleh untuk kisi terkubur dengan siklus kerja 0,35 ~ 0,45 dan kedalaman etsa 180 nm. Kekuatan kopling g = |κ|L , di mana L adalah panjang rongga QCL. Untuk mendapatkan emisi permukaan yang efisien, kekuatan kopling 1-2 selalu diperlukan. Untuk perangkat dengan panjang rongga 1 dan 0,5 mm, kekuatan kopling yang disimulasikan berada dalam kisaran 3,55 ~ 1,07 dan 1,78 ~ 0,54 saat siklus kerja adalah 0,35 ~ 0,45. Oleh karena itu, desain kisi yang terkubur sangat penting untuk perangkat dengan panjang rongga pendek.
Yang menarik adalah karakterisasi listrik. Tegangan arus-cahaya (L-I-V) kurva perangkat dengan panjang rongga yang berbeda ditunjukkan sebagai Gambar. 2. Laser dioperasikan dalam mode CW dan suhu heat sink diatur oleh pengontrol suhu (Thorlabs, ITC-QCL-4000). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a, perangkat dengan rongga sepanjang 1 mm menunjukkan arus ambang 65 mA pada 25 °C, sesuai dengan rapat arus ambang 0,54 kA/cm
− 2
dan disipasi daya 0,67 W. Daya optik maksimum adalah 8,6 mW dengan daya listrik yang diinjeksikan sebesar 1,66 W, dan efisiensi kemiringan 0,11 W/A. Pada suhu tinggi 65 °C, daya optik maksimum masih lebih dari 5 mW. Untuk perangkat dengan panjang rongga 0,5 mm, arus ambang dan disipasi daya diturunkan menjadi 39 mA dan 0,4 W pada 15 °C, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2b. Kerapatan arus ambang batas adalah 0,65 kA/cm
− 2
. Daya optik maksimum 2,8 mW disimpulkan ketika daya listrik yang disuntikkan adalah 0,74 W. Pada 25 °C, arus ambang sedikit meningkat menjadi 41 mA, sesuai dengan konsumsi daya 0,43 W. Sejauh yang kami ketahui, ini adalah konsumsi daya ambang batas terendah QCL pada suhu yang sama. Daya optik maksimum perangkat ini adalah 2,4 mW dengan disipasi 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 setinggi 105 °C dalam mode CW, tetapi daya keluarannya akan menjadi kecil dan terlalu sulit untuk dideteksi secara akurat. Dibandingkan dengan karya sebelumnya di Ref [9,10,11], daya optik maksimum desain kami tidak luar biasa karena efisiensi colokan dinding perangkat yang rendah. Ini secara inheren dibatasi oleh kualitas wafer epitaksi. Selain itu, efisiensi steker dinding maksimum perangkat dengan panjang rongga 0,5 mm adalah 0,32% pada suhu kamar, kurang dari perangkat dengan panjang rongga 1 mm, yaitu 0,5%.
Karakteristik L-I-V dari 1 mm (a ) dan 0,5 mm (b ) perangkat
Karakterisasi spektra laser ditunjukkan pada Gbr. 3. Kedua 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 kerja tertinggi di semua QCL konsumsi daya rendah. Suhu kerja yang tinggi seperti itu terutama diuntungkan dari berkurangnya kehilangan cermin yang dibawa oleh lapisan HR pada faset. Koefisien pergeseran suhu adalah 0,21 cm
− 1
/K dan 0,19 cm
− 1
/K, masing-masing. Ada sedikit perbedaan antara rezim spektrum kedua perangkat pada kisaran suhu yang sama, yang mungkin disebabkan oleh litografi yang tidak seragam dan proses etsa kisi. Rasio penekan mode samping (SMSR) perangkat sekitar 25 dB. Kemampuan penyetelan linier yang baik, mode tunggal, dan suhu pengoperasian yang tinggi dari perangkat ini membuatnya sangat berguna dalam beberapa aplikasi nyata seperti penginderaan gas jejak.
Spektrum penguat a 0,5 dan b Perangkat dengan panjang rongga 1 mm
Distribusi medan jauh perangkat 0,5 mm ditunjukkan pada Gambar. 4. Dalam arah lebar punggungan, pola lobus tunggal dengan sudut divergensi 22,5
o
(FWHM) diamati, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a. Gambar 4b menunjukkan pola medan jauh dalam arah panjang rongga. Pola medan jauh menunjukkan bahwa mode anti-simetris lebih disukai, yang disebabkan oleh ketidakseragaman pembelahan buatan tangan dan pantulan faset residual [16]. Mode simetris dapat diperoleh dengan menggunakan kisi Bragg reflector (DBR) terdistribusi di kedua sisi wilayah kisi DFB untuk menghilangkan pantulan faset terbelah yang tidak terkontrol [17].
Distribusi medan jauh perangkat dengan panjang rongga 0,5 mm. a , b Distribusi medan jauh dalam arah lebar punggungan dan panjang rongga, masing-masing
Kesimpulan
Kami telah mengembangkan DFB QCL pemancar substrat dengan disipasi daya ambang batas ultra rendah sebesar 0,43 W pada 25 °C yang beroperasi dalam mode CW dengan memperpendek panjang rongga menjadi 0,5 mm dan mendepositkan lapisan HR pada kedua sisi. Daya optik maksimumnya adalah 2,4 mW, dan disipasi daya yang sesuai adalah 0,76 W. Emisi mode tunggal tanpa mode-hop diperoleh dalam suhu yang lebar dari 15 hingga 105 °C dengan menentukan kisi DFB orde kedua yang terkubur. Sudut divergensi adalah 22,5
o
dan 1,94
o
dalam arah lebar punggungan dan arah panjang rongga, masing-masing. Karakteristik konsumsi rendah dari perangkat ini dapat menjadikannya sebagai sumber cahaya yang menjanjikan di beberapa sistem portabel bertenaga baterai.
