Laser Kuantum Cascade Stabil Tunggal Mode DFB pada 4,76 µm dengan Lapisan Reflektivitas Facet yang Dioptimalkan
Abstrak
Dalam karya ini, laser kuantum cascade (QCL) berbasis kompensasi tekanan gabungan dengan desain resonansi dua fonon disajikan. Laser terumpan terdistribusi (DFB) yang beremisi pada sekitar 4,76 µm dibuat melalui proses standar grating first-order yang terkuburi dan struktur heterostruktur terkuburi (BH). Emisi tunggal mode stabil dicapai di bawah semua kondisi arus injeksi dan suhu tanpa mode hop dengan lapisan anti-refleksi (AR) yang dioptimalkan pada facet depan. Lapisan AR terdiri dari dielektrik double layer Al₂O₃ dan Ge. Untuk rongga laser 2 mm, daya output maksimum dari DFB-QCL yang dilapisi AR lebih dari 170 mW pada 20 °C dengan efisiensi dinding-stecker (WPE) tinggi sebesar 4,7% dalam mode gelombang kontinyu (CW).
Latar Belakang
Laser kuantum cascade (QCL) inframerah tengah adalah salah satu sumber cahaya yang paling menjanjikan untuk banyak aplikasi komersial. Aplikasi praktis seperti sensing gas, komunikasi ruang bebas, dan spektroskopi resolusi tinggi membutuhkan QCL dengan daya tinggi, keandalan tunggal mode yang ditingkatkan, dan biaya rendah. Akibatnya, sejak DFB-QCL pertama diperlihatkan pada 1997, performa perangkat ini telah ditingkatkan secara kuat dengan demonstrasi operasi gelombang kontinyu (CW) pada suhu kamar dengan daya tinggi di seluruh wilayah inframerah tengah. Namun, sebagian besar DFB-QCL berbasis struktur grating terkuburi akan memiliki masalah facet yang terbelah secara acak yang menentukan mode frekuensi laser. Karena jumlah loss yang sama pada dua mode tepi bandgap, operasi tunggal mode stabil tidak dapat dijamin. Terutama di bawah kondisi suhu tinggi atau arus injeksi besar, mode hopping selalu terjadi yang merugikan untuk aplikasi perangkat tunggal mode ini.
Untuk mendapatkan operasi tunggal mode stabil, penggeseran fasa kuarter-gelombang (λ/4 PS) diperkenalkan dalam periode grating sehingga laser dapat bekerja dalam mode defect; thus, kompetisi antara dua mode tepi bandgap dapat dihindari. Namun, litografi beam elektron harus digunakan untuk pembuatan grating λ/4 PS, yang memakan waktu dan mahal. DFB laser gain-coupled adalah pilihan yang baik untuk mencapai operasi tunggal mode stabil untuk laser semiconductor konvensional. Namun, tidak realistis untuk QCL untuk membuat DFB laser gain-coupled karena loss besar yang disebabkan oleh area aktif yang di-etch. Metode cerdas lainnya adalah menggunakan mekanisme kopling loss rongga untuk meningkatkan selisih loss antara dua mode DFB. Dipercaya bahwa lapisan coating facet reflectivitas yang tepat dapat mencapai operasi tunggal mode stabil bahkan pada suhu tinggi dan arus besar. Meskipun ada beberapa penelitian yang berdedikasi pada coating facet, mereka selalu berfokus pada pembentukan panjang rongga ekivalen optimal Lopt untuk mempertahankan WPE untuk laser daripada keandalan tunggal mode. Juga, lapisan coating reflectivitas yang dioptimalkan seharusnya menjadi cara yang menjanjikan untuk menyelesaikan kompetitivitas antara dua mode DFB dan menarik untuk diteliti secara sistematis.
Dalam paper ini, operasi tunggal mode stabil dari DFB-QCL pada λ ~ 4,76 µm disajikan setelah coating AR/HR. Lapisan AR terdiri dari dielektrik double layer Al₂O₃ (380 nm) dan Ge (33 nm). Perangkat ini menampilkan densitas arus ambang yang sangat rendah sebesar 0,65 kA/cm² pada 20 °C. Emisi tunggal mode dengan rasio penekanan sisi-mode (SMSR) di atas 26 dB dicapai hingga suhu 90 °C dalam operasi CW tanpa mode hopping apa pun. Dipercaya bahwa coating anti-reflektivitas pada facet depan sangat berharga untuk menekan fase acak dari facet rongga.
Metode
Teori dan Simulasi
Inti simulasi efek coating anti-refleksi pada rongga DFB terhingga adalah perhitungan loss mode untuk dua mode tepi bandgap. Metode transfer matriks akan menjadi cara yang tepat untuk menganalisis seluruh struktur laser. Kami mempertimbangkan aplikasi metode ini pada perangkat yang memiliki profil indeks refraksi longitudinal yang mirip dengan yang ditunjukkan dalam Gambar 1. Gambar skematis ini mengilustrasikan efek grating dengan perturbasi indeks efektif yang sedikit berbeda (neff,1, neff,2) dan film lapisan (n3, n4) pada mode terpandu. Indeks refraksi kompleks dari bahan utama yang digunakan dalam perhitungan tercantum sebagai berikut: InP (3.088 + i*2e−4), InGaAs (3.4 + i*2.9e−5), area aktif (3.298 + i*4e−5), InP high-doped (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), dan Ge (4.0165 + i*4e−2). Kemudian, indeks efektif berbeda neff,1 = 3.1599 + i*5.17e−5 dan neff,2 = 3.1662 + i*5.6756e−5 dihitung dengan COMSOL melalui fungsi persamaan diferensial parsial (PDE). Laser diasumsikan beroperasi dalam mode transverse tunggal sehingga karakteristik propagasi cahaya pada setiap titik sepanjang rongga laser digambarkan oleh satu skalar kompleks tunggal, k, yang adalah vektor gelombang medium. Pertimbangkan lebih lanjut bahwa laser terpolarisasi linier dan medan listrik yang terkait memiliki ketergantungan waktu sinusoidal eiωt. Mengikuti asumsi yang diberikan di atas, faktor gelombang elektromagnetik satu dimensi Ez, yang menggambarkan bagian variasi spasial dari fungsi gelombang, memenuhi persamaan Helmholtz
di mana ω dan c masing-masing adalah frekuensi sudut dan kecepatan cahaya dan n(z) adalah indeks refraksi kompleks pada setiap titik sepanjang rongga laser. Vektor gelombang k yang perlu diselesaikan dapat dibagi menjadi dua bagian: kr dan ki. Bagian riil kr menentukan panjang gelombang cahaya dalam rongga laser, sementara bagian imajiner ki berasal dari loss mode rongga terhingga yang menjamin attenuasi. Dari Gambar 1, terlihat bahwa laser dapat dianggap sebagai perangkat multi-seksi dengan 2N + 2 seksi di mana N adalah periode grating. Dalam setiap seksi ini, medan listrik En(z) adalah kombinasi linier dari dua gelombang eksponensial yang bergerak berlawanan di mana satu menurun dengan amplitudo kompleks An dan yang lain meningkat dengan Bn. Persamaan dijelaskan sebagai berikut:
Secara total, ada 2N + 3 antarmuka. Pada setiap antarmuka, baik medan listrik maupun turunan terhadap arah propagasi harus sama di kedua sisi antarmuka. Persamaan diperoleh sebagai berikut:
Mengingat bahwa laser yang dipompa listrik adalah perangkat osilasi mandiri, tidak ada gelombang masuk dari luar perangkat. Ini mengakibatkan kondisi batas B0 = A2N + 3 = 0, dan persamaan berubah menjadi
Setiap nilai vektor gelombang k dapat diperoleh dengan bantuan Matlab melalui Eq. (6). Bagian imajiner ki yang sesuai dengan loss mode rongga akan membantu menganalisis efek coating AR.
Gambar 2a menunjukkan hasil perhitungan berdasarkan simulasi transfer matriks. Seperti yang ditunjukkan oleh dua kurva merah, loss mode frekuensi tinggi berubah sangat lambat dengan penurunan reflectivitas sementara loss mode frekuensi rendah meningkat secara tajam. Inset menunjukkan profil mode yang dihitung untuk mode frekuensi rendah dan tinggi, untuk satu periode grating. Seperti yang dilihat, mode frekuensi rendah memiliki magnitudo medan listrik yang lebih tinggi di puncak grating yang merupakan bagian indeks lebih tinggi dari grating, dan juga, mode frekuensi tinggi lebih terkonsentrasi di bagian indeks lebih rendah dari grating. Untuk model rongga tak terhingga tanpa reflectivitas facet, mode frekuensi tinggi selalu memiliki loss mode lebih rendah dari mode frekuensi rendah. Jika efek cermin facet akhir dapat diabaikan, maka mode frekuensi tinggi dengan loss waveguide yang lebih kecil akan selalu lase. Namun, kehadiran cermin facet akhir memberikan refleksi yang konstruktif atau destruktif interfere dengan mode DFB dalam rongga laser. Interferensi ini mempengaruhi loss rongga grating terhingga dari setiap mode dan dapat menentukan mode mana yang lases. Kami mencatat bahwa efek cermin terbesar ketika posisi kedua cermin coincided dengan puncak magnitudo amplitudo medan listrik dari satu mode DFB, yang juga ketika cermin berada pada node untuk mode DFB lainnya. Di sini, cermin untuk facet tanpa coating coincided dengan puncak mode frekuensi rendah, dan kemudian, refleksi dari cermin akhir secara maksimal konstruktif interfere dengan mode yang ada dalam rongga laser. Ini menghasilkan penurunan total loss mode, karena kontribusi konstruktif dari cermin. Seiring penurunan reflectivitas dan pengaruh geseran fase tambahan dengan menggunakan coating AR double layer, loss mode frekuensi rendah secara bertahap meningkat dengan penurunan reflectivitas karena efek interferensi yang melemah dan loss cermin yang meningkat. Sementara itu, loss mode frekuensi tinggi berubah sedikit karena efek interferensi yang ditingkatkan. Ini menghasilkan bahwa Δ loss mode berperilaku seperti fungsi eksponensial terutama ketika reflectivitas facet depan < 0,15. Menurut simulasi, hanya ada satu titik minimum dalam seluruh spektrum ketika reflectivitas facet depan < 0,11, yang berarti bahwa mode hop tidak dapat terjadi dalam teori karena loss mode tepi bandgap lainnya terlalu tinggi untuk lase.
a Dua kurva merah adalah loss mode frekuensi tinggi dan rendah masing-masing. Kurva hitam adalah loss mode diferensial antara dua mode tepi bandgap yang dilabel sebagai Δ. Inset menunjukkan profil mode yang dihitung untuk mode frekuensi rendah dan tinggi, untuk satu periode grating. b Spektrum loss mode yang dihitung berdasarkan simulasi transfer matriks dengan berbagai coating AR
Gambar 2b menunjukkan tiga spektrum loss mode tipikal selama simulasi di mana mode frekuensi tinggi dan rendah adalah 4,762 dan 4,779 µm masing-masing. Yang pertama adalah DFB-QCL tanpa coating AR. Kita dapat melihat stopband yang berasal dari umpan balik grating dengan jelas, dan dua mode tepi bandgap hampir sama. Yang kedua adalah coating AR spesifik dengan 200 nm Al₂O₃ dan 5 nm Ge dengan reflectivitas 0,22. Diferensial antara dua mode tepi bandgap mulai terlihat jelas. Yang terakhir menunjukkan bahwa dengan coating reflectivitas lebih rendah, Δ loss mode begitu besar sehingga mode frekuensi rendah terendam di bawah loss stopband. Meskipun reflectivitas lebih rendah, Δ loss mode yang lebih besar dalam teori, kita juga harus mempertimbangkan bahwa reflectivitas yang sangat rendah menyebabkan loss cermin yang besar dalam perangkat yang akan membuat WPE menurun secara tajam. Itu adalah trade-off untuk memilih ketebalan film berdasarkan eksperimen.
Pembuatan Perangkat
Wafer QCL ditanam pada substrat InP yang di-dop n (Si, 3 × 1017 cm−3) oleh epitaksi molekular beam solid-source (MBE) berdasarkan desain resonansi dua fonon. Inti aktif termasuk 40 tahapan kuantum wells dan barrier strain-compensated In0.669Ga0.331As/In0.362Al0.638As, yang mirip dengan Ref. [18]. Urutan lapisan adalah sebagai berikut: lapisan cladding InP bawah 2-µm (Si, 2,5 × 1016 cm−3), lapisan In0.47Ga0.53As yang cocok tebal 0,3-µm (Si, 4 × 1016 cm−3), 40 tahapan aktif/injektor, lapisan In0.47Ga0.53As tebal 0,3-µm (Si, 4 × 1016 cm−3), lapisan cladding InP atas 3-µm (Si, 2,5 × 1016 cm−3), dan lapisan cladding InP yang di-dop tinggi 0,7-µm (Si, 5 × 1018 cm−3). Tingkat dop rata-rata dari area aktif disesuaikan secara empiris menjadi 2,4 × 1016 cm−3. Untuk membuat grating terkuburi, cladding atas dihapus hingga lapisan InGaAs atas. Grating first-order DFB dengan periode Λ = 0,755 µm (siklus kerja σ = 20%) didefinisikan pada lapisan InGaAs atas tebal 300-nm menggunakan teknik litografi holografik dan kemudian di-etch ke kedalaman sekitar 90-nm oleh etching kimia basah. Kemudian, lapisan InP yang di-dop rendah 3-µm (Si, 2,5 × 1016 cm−3) diikuti oleh lapisan InP yang di-dop secara bertahap 0,2-µm (berubah dari 1 × 1017 cm−3 ke 3 × 1017 cm−3) dan lapisan kontak InP 0,5-µm (5 × 1018 cm−3) dilakukan secara berurutan sebagai cladding atas oleh epitaksi fase uap organik logam (MOVPE).
Setelah implementasi pola grating dan regrowth, epi-wafer di-etch menjadi ridge lebar 10-µm, dan kemudian, waveguide dimasukkan kembali ke dalam sistem MOVPE dan dikuburi oleh InP semi-insulating (Fe). Lapisan SiO₂ tebal 450-nm diatur oleh chemical vapor deposition yang ditingkatkan plasma (PECVD) untuk insulasi sekitar ridge, dan kontak listrik disediakan oleh lapisan Ti/Au. Lapisan emas tambahan tebal 5-µm kemudian di-electroplate untuk meningkatkan dissipasi panas lebih lanjut. Waveguide di-belah menjadi bar panjang 2-mm, dan pengujian dilakukan pada perangkat dengan coating reflectivitas facet yang dioptimalkan. Keduanya rear facet HR coating terdiri dari Al₂O₃/Ti/Au/Ti/Al₂O₃ (400/5/100/10/200 nm) dan front facet AR coating terdiri dari Al₂O₃/Ge (380/33 nm) diatur oleh e-beam evaporation. Reflectivitas yang dihitung dari front facet adalah 3,4% untuk panjang gelombang 4,76-µm, dan hubungan detail antara fluktuasi ketebalan coating dan reflectivitas telah dibahas dalam paper yang kami terbitkan sebelumnya [19]. Laser dipasang epilayer side down pada heat sink SiC dengan solder indium dan kemudian wire bonded ke kontak pad eksternal. Untuk karakterisasi spektral dan listrik, laser dipasang pada elemen Peltier dan suhu dipantau pada heat sink dengan thermistor.
Hasil dan Diskusi
Gambar 3 menunjukkan spektrum emisi subthreshold yang berubah secara dinamis dari elektroluminesensi menjadi lase dengan arus yang meningkat yang diukur dengan Bruker Vertex 70 FTIR dan detektor HgCdTe yang diinginkan nitrogen. Spektrum laser tepat di atas ambang menunjukkan bahwa perangkat beroperasi pada mode dasar dan kita dapat dengan jelas mendapatkan stopband dari mode dasar ketika arus adalah 285 mA. Dari lebar stopband Δν = 3,076 cm−1 dan indeks efektif neff = 1/(2νΛ) = 3,153, kita menghitung koefisien kopling κ = Δν·π·neff = 30,4 cm−1, resulting for our HR-coated 2-mm-long cavity in a coupling product κL of 12.1, which corresponds well with our device fabrication. The product of κL far larger than the previous theoretical investigation κL ≈ 1 [20] indicates that an overcoupled scheme is obtained, which is beneficial to secure single mode within the entire current and examined temperature range.
Subthreshold DC spectrum of device measured at 30 °C
Gambar 4a menunjukkan kurva daya-arus-tegangan (P-I-V) tipikal dari laser DFB pada berbagai suhu heat sink antara 20 dan 90 °C. Daya output mencapai 200 mW untuk perangkat panjang 2-mm dengan densitas arus ambang rendah sebesar 0,65 kA/cm² pada 20 °C. Tegangan ambang (Vth) sebesar 13,2–14,2 V diukur pada rentang suhu 20–90 °C. Itu layak untuk dicatat bahwa mode hop hanya ada pada suhu heat sink di bawah 60 °C yang dapat dengan mudah disimpulkan dari kurva P-I. Suhu heat sink yang lebih tinggi akan memberikan akumulasi panas yang lebih parah pada inti laser sehingga efek termal mencegah mode lain untuk lase dan mode hop tidak akan terjadi. Gambar 4b menunjukkan kurva P-I-V dari laser DFB yang coating anti-refleksi (AR) telah ditaburi pada facet depannya, dan kami memilih reflectivitas coating AR sebesar 3,4%. Setiap kurva P-I yang halus menunjukkan bahwa tidak ada mode hop yang ada di seluruh suhu yang kami ukur. Gambar 4c, d menunjukkan spektrum lase pada berbagai arus dari 150 hingga 250 mA dengan langkah 25 mA. Obvious from Fig. 4d that we achieve a stable single mode around different currents with optimized AR facet coating rather than mode hop in Fig. 4c. The frequency always keeps a linear relation with injection current, and the current tuning coefficient Δν/ΔI = − 0,024 cm−1 mA−1 proves that AR coating is a simple and efficient method to solve the problem of mode hop in DFB-QCLs.
a, b Output power versus current of the DFB laser operated in CW mode at different heat sink temperatures between 20 and 90 °C along with V-I curves. c, d CW lasing spectra at different currents from 150 to 250 mA with a step of 25 mA at 20 °C
Gambar 5 menunjukkan spektrum emisi dari laser DFB yang dilapisi pada berbagai suhu heat sink dari 20 hingga 90 °C. Pengukuran dilakukan menggunakan spektrometer FTIR NICOLET 8700 dengan resolusi 0,25 cm−1 dalam mode pemindaian cepat. Emisi mode longitudinal tunggal diamati di seluruh rentang suhu yang diteliti dengan side-mode suppression ratio (SMSR) 26 dB pada suhu tinggi 90 °C. Seperti yang ditunjukkan dalam inset Gambar 5, spektrum emisi puncak diamati berubah dari 2100,4 cm−1 pada 20 °C menjadi 2088,6 cm−1 pada 90 °C, corresponding to a temperature tuning coefficient Δν/ΔT = − 0,168 cm−1 K−1. The good linear tuning indicated that no mode hopping happened during the change of heat sink temperature. In addition, all mentioned devices display a dominant single lateral far-field under CW operation on the fundamental mode due to the accurate control of ridge width.
Single-mode emission spectra of the DFB laser at a driving 1.1 threshold current for different heat sink temperatures of 20–90 °C. The insert shows the linearly fit tuning characteristics of the lasing frequency with temperature
CW WPE dihitung dan diplot sebagai fungsi dari konsumsi daya listrik input dalam Gambar 6. Pada 20 °C, WPE maksimum sebesar 4,7% diperoleh sekitar 240 mA dengan daya output 170 mW. WPE maksimum masih 2,9 dan 0,8% pada 50 dan 90 °C masing-masing. To date, these values were still very high for the low-threshold DFB-QCLs due to our high material quality and optimized reflectivity facet coating. It is believed that the WPE can be further improved by the optimized selection of laser cavity lengths considering the coating effect.
Wall-plug efficiency as a function of the electrical power dissipation for the 2-mm-long HR and AR-coated DFB-QCL
Kesimpulan
Kami telah menunjukkan operasi CW pada suhu kamar dari DFB-QCL tunggal mode pada λ ~ 4,76 µm. Dengan menaburi coating AR yang terdiri dari dielektrik double layer Al₂O₃ dan Ge pada facet depan, operasi tunggal mode stabil tanpa mode hop di bawah semua arus dan kondisi suhu telah berhasil direalisasikan. Pada 20 °C, daya output CW sebesar 170 mW diamati dengan densitas arus ambang yang sangat rendah sebesar 0,65 kA/cm². Perangkat semacam ini merupakan langkah penting menuju penggunaan operasi tunggal mode stabil dari DFB-QCL dalam wilayah spektrum inframerah tengah untuk aplikasi praktis.
