저전력 소모 기판 방출 DFB 양자 캐스케이드 레이저

초록

본 연구에서는 초저전력 소모 기판 방출 분산 피드백(DFB) 양자 캐스케이드 레이저(QCL)가 개발되었습니다. 연속파(CW) 임계값 전력 손실은 캐비티 길이를 0.5mm로 줄이고 양쪽 면에 고반사율(HR) 코팅을 증착하여 25°C에서 0.43W로 감소합니다. 우리가 아는 한, 이것은 동일한 조건에서 QCL의 기록된 임계 전력 손실입니다. 단일 모드 방출은 매립된 2차 격자를 사용하여 달성되었습니다. 모드 홉 프리 방출은 CW 모드에서 15~105°C의 넓은 온도 범위 내에서 관찰될 수 있습니다. 발산 각도는 22.5 ^o 입니다. 및 1.94 ^o 능선 너비 방향과 공동 길이 방향으로 각각. CW 작동 시 최대 광출력은 25°C에서 2.4mW로 분광학 애플리케이션에 충분합니다.

배경

최근 몇 년 동안 양자 캐스케이드 레이저(QCL)는 급속한 발전을 거쳐 중적외선 주파수 영역에서 가장 유망한 광원이 되었습니다[1,2,3]. 고전력, 단일 모드 작동 및 소형 크기의 이점을 누리는 DFB(분산 피드백) QCL은 미량 가스 감지, 자유 공간 통신 및 물질 분석과 같은 많은 응용 분야에서 널리 사용되었습니다[4,5,6]. 그러나 QCL의 나머지 단점은 높은 전력 손실로 인해 일부 휴대형 및 고집적 시스템에서 적용이 제한되었습니다. 전력 손실을 줄이기 위해 가장 간단한 방법은 캐비티를 줄이고 릿지를 좁히는 것과 같이 장치의 기하학적 크기를 줄이는 것입니다. 고반사(HR) 코팅은 미러 손실을 줄이는 데에도 매우 효과적입니다. 짧은 공동을 사용하고 패싯에 HR 코팅[7] 또는 부분 고반사율(PHR) 코팅[8]을 증착하여 Fabry-Perot(FP) QCL의 임계 전력 손실을 줄이기 위한 일부 연구가 수행되었습니다. AC Richard et al.은 22°C에서 1.2W 및 25°C에서 0.83W의 낮은 소비 전력을 입증했습니다. 및 Y. Bai et al., 각각. 이러한 방법은 DFB 장치에도 적용될 수 있습니다. 2014년 Ryan M. Briggs et al. 20°C에서 0.76W의 CW 임계 전력 소비와 약 17mW의 최대 광 전력으로 4.8μm에서 방출하는 단일 모드 DFB QCL을 보고했습니다[9]. 2015년 A. Bismuto et al. 20°C에서 0.5W만큼 낮은 CW 임계값 손실 전력으로 4.5μm에서 방출하는 짧은 공동, 좁은 능선 단일 모드 DFB QCL을 시연했습니다[10]. 최대 광출력은 약 150mW입니다. 그러나 주입된 전력은 6W 이상입니다. 도핑 최적화 및 저주기 능동 구조와 같은 다른 방법도 조사되었습니다[7, 11]. 에지 방출 QCL의 경우 HR 코팅은 일반적으로 후면 면에 증착되고 전면 면에서 방출되는 광학 전력을 유지하면서 미러 손실을 줄이기 위해 전면 면을 코팅하지 않거나 PHR을 코팅합니다. 대신, 전면 패싯 대신 기판에서 빛이 방출되기 때문에 미러 손실을 더욱 줄이기 위해 기판 방출을 위해 두 면을 모두 HR 코팅할 수 있습니다. 게다가, 개선된 원거리장 분포는 기판 방출 QCL에서 기대할 수 있습니다[12, 13]. 우리의 최근 연구에 따르면 양면에 HR 코팅을 증착하여 20°C에서 1.27W의 낮은 임계 전력 손실을 갖는 기판 방출 DFB QCL을 얻었습니다[14]. Ref [14]의 활성 영역은 40개의 초격자 주기로 구성되며 임계 전압은 약 13V입니다. 더 낮은 임계 전압, 따라서 활성 영역의 주기 수를 줄이면 더 낮은 임계 전력 소모를 기대할 수 있습니다. 1mm의 캐비티 길이는 임계 전력 손실을 줄이기 위해 매립된 2차 격자를 적절하게 설계함으로써 더욱 단축될 수 있습니다.

현재 연구에서는 초저전력 소모 기판 방출 DFB QCL이 개발되었습니다. CW 모드에서 작동하는 임계 전력 손실은 캐비티 길이를 0.5mm로 줄이고 양면에 HR 코팅을 증착하여 15°C에서 0.4W 및 25°C에서 0.43W만큼 낮습니다. CW 모드의 최대 광 출력은 25°C에서 2.4mW로 분광학 애플리케이션에 충분합니다. 단일 모드 방출은 매립된 2차 격자를 사용하여 달성되었습니다. 발산 각도는 22.5 ^o 입니다. 및 1.94 ^o 각각 릿지 폭 방향 및 캐비티 길이 방향의 반치폭(FWHM)입니다. 공동 길이 방향의 이중 로브 원거리장 분포는 비대칭 모드가 선호됨을 나타냅니다. 이러한 기기는 15~105°C의 넓은 온도 범위에서 모드 홉 없이 CW 모드로 작동할 수 있으며 고집적 휴대용 애플리케이션에 매우 적합합니다.

방법

장치의 활성 영역은 ~ 4.6μm에서 방출하는 변형 보상 2-포논 공진 설계를 기반으로 했습니다. 웨이퍼는 n-도핑된(Si, 2 × 10 ¹⁷ cm ^{− 3} ) 고체 소스 분자 빔 에피택시(MBE)에 의한 InP 기판. In_0.67의 30단계 Ga_0.33 As/In_0.36 알_0.64 양자 우물과 장벽이 활성 코어에 포함되었기 때문에 Ref. [15] 전체 레이어 시퀀스는 다음과 같습니다. 1.2μm 두께의 하부 클래딩 레이어(Si, 2.2×10 ¹⁶ cm ^{− 3} ), 0.3μm 두께의 n-In_0.53 Ga_0.47 레이어로(Si, 4 × 10 ¹⁶ cm ^{− 3} ), 30개의 활성/주사기 단계, 0.3μm 두께의 n-In_0.53 Ga_0.47 레이어로(Si, 4 × 10 ¹⁶ cm ^{− 3} ) 및 상단 도파관 클래딩 플레이어. 매립된 격자를 제조하기 위해 상부 도파관 클래딩 층을 상부 InGaAs 층까지 제거하였다. 기간이 Λ인 2차 격자 =1.42 μm(듀티 사이클 σ =0.45, 깊이 d =130nm)는 홀로그래픽 리소그래피 기술과 습식 화학 에칭에 의해 0.3μm 두께의 상부 InGaAs 층에 정의되었습니다. 그림 1a는 매립된 2차 격자의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 보여줍니다. 그 후, 3μm 두께의 저농도 InP 층(Si, 2.2 × 10 ¹⁶ cm ^{− 3} ) 다음에 0.15μm 점진적으로 도핑된 InP 층(Si, 1×10 ¹⁷ 부터) ~ 3 × 10 ¹⁷ cm ^{− 3} ) 및 0.4μm 고농도 InP 클래딩 층(Si, 5 × 10 ¹⁸ cm ^{− 3} )은 금속-유기 기상 에피택시(MOVPE)에 의해 상부 클래딩으로 순서대로 수행되었습니다.

<그림>

아 묻힌 격자와 b의 SEM 이미지 COMSOL을 사용한 매립된 2차 격자의 시뮬레이션된 결합 계수 및 결합 강도

재성장을 구현한 후 웨이퍼는 평균 코어 너비가 7μm인 이중 채널 도파관 구조로 에칭되었습니다. 그런 다음 450nm 두께의 SiO₂ 절연을 위해 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD)에 의해 증착되었습니다. 2μm 너비의 전자 주입 창이 SiO₂에 패턴화되었습니다. 융기부의 층 및 전기 접촉은 Ti/Au 층에 의해 제공되었다. 더 나은 방열을 위해 추가로 4μm 두께의 Au 층이 전기도금되었습니다. 실제로 쪼개기 전에 2차 매립 격자 설계를 위한 대규모 시뮬레이션이 Ref. [16] 150μm로 얇아진 후 도파관은 각각 0.54~1.77 및 1.08~3.55의 결합 강도에 해당하는 0.5 및 1mm 길이의 장치로 절단되었습니다. 그런 다음 이러한 장치의 두 면을 전자빔 증발로 HR 코팅했습니다. Al₂로 구성된 HR 코팅 O₃ /Ti/Au/Al₂ O₃ (200/10/100/120). 장치는 인듐 땜납으로 구리 방열판에 에피층으로 장착된 다음 외부 접촉 패드에 와이어 본딩되었습니다.

장치 테스트는 방열판의 온도를 조절하고 모니터링하는 서미스터가 있는 열전 냉각기(TEC) 단계에서 수행되었습니다. QCL의 출력은 레이저 방출을 수집하는 금속 튜브와 함께 장치 바로 앞에 배치된 보정된 열전퇴 감지기(Coherent, EMP1000)로 측정되었습니다. 그런 다음 장치를 0.01 ^o 해상도의 스텝 모터 제어 회전 스테이지에 올려 놓았습니다. 원거리 분포 시험을 위해 상온 HgCdTe 검출기(Vigo, PVMI-10.6)를 레이저 전면에 30cm의 거리를 두고 배치하여 방사선을 검출하였다. 스펙트럼 측정은 분해능이 0.25cm ^{- 1} 인 푸리에 변환 적외선(FTIR) 분광계(Thermo Fisher Scientific, Nicolet 8700)를 사용하여 수행되었습니다. 빠른 스캔 모드에서.

결과 및 토론

COMSOL 시뮬레이션 결과는 그림 1b와 같습니다. 계산에 따르면 |κ| =35.5 ~ 10.75 cm ^{− 1} 듀티 사이클이 0.35~0.45이고 에칭 깊이가 180nm인 매립 격자에 대해 얻어집니다. 결합 강도 g =|κ|L , 여기서 L 는 QCL의 캐비티 길이입니다. 효율적인 표면 방출을 얻으려면 1-2의 결합 강도가 항상 필요합니다. 캐비티 길이가 1 및 0.5mm인 장치의 경우 시뮬레이션된 결합 강도는 듀티 사이클이 0.35~0.45일 때 3.55~1.07 및 1.78~0.54 범위입니다. 따라서 캐비티 길이가 짧은 장치에는 매립 격자의 설계가 매우 중요합니다.

특히 흥미로운 것은 전기적 특성입니다. 광전류-전압(L-I-V) 캐비티 길이가 다른 장치의 곡선은 그림 2와 같습니다. CW 모드에서 작동하는 레이저와 방열판 온도는 온도 컨트롤러(Thorlabs, ITC-QCL-4000)에 의해 조절되었습니다. 그림 2a에서 볼 수 있듯이 1mm 길이의 공동이 있는 장치는 25°C에서 임계값 전류 밀도 0.54kA/cm ^{− 2} 에 해당하는 65mA의 임계값 전류를 나타냅니다. 및 0.67W의 전력 손실. 최대 광 전력은 8.6mW이고 주입 전력은 1.66W이고 슬로프 효율은 0.11W/A입니다. 65°C의 고온에서 최대 광출력은 여전히 ​​5mW 이상입니다. 0.5mm 캐비티 길이 기기의 경우 임계값 전류 및 전력 손실이 그림 2b와 같이 15°C에서 39mA 및 0.4W로 감소합니다. 임계값 전류 밀도는 0.65kA/cm ^{− 2} 입니다. . 2.8mW의 최대 광 전력은 주입된 전력이 0.74W일 때 추론됩니다. 25°C에서 임계값 전류는 0.43W의 전력 소비에 해당하는 41mA로 약간 증가합니다. 우리가 아는 한, 이것은 동일한 온도에서 QCL의 최저 임계 전력 소비. 이 기기의 최대 광출력은 2.4mW이며 소비 전력은 0.76W로 일부 고집적 센서 애플리케이션에 매우 적합합니다. 35°C에서 최대 광출력은 약 1.9mW입니다. 이 기기는 CW 모드에서 최고 105°C의 온도에서 작동할 수 있지만 출력 전력이 작아져 정확하게 감지하기가 너무 어려워집니다. Ref [9,10,11]의 이전 작업과 비교하여 장치의 낮은 벽면 플러그 효율성으로 인해 우리 설계의 최대 광 출력이 현저하지 않습니다. 이것은 본질적으로 에피택시 웨이퍼의 품질에 의해 제한됩니다. 또한 0.5mm 캐비티 길이 장치의 최대 벽 플러그 효율은 실온에서 0.32%로 1mm 캐비티 길이 장치보다 작은 0.5%입니다.

<그림>

1mm의 L-I-V 특성(a ) 및 0.5mm(b ) 장치

레이저의 스펙트럼 특성은 그림 3에 나와 있습니다. 1mm 및 0.5mm 기기 모두 15~105°C의 넓은 온도 범위 내에서 모드 홉 없이 CW 모드에서 작동할 수 있습니다. 이것은 모든 저전력 소비 QCL에서 가장 높은 작동 온도입니다. 이러한 높은 작업 온도는 주로 면의 HR 코팅으로 인한 미러 손실 감소의 이점을 얻습니다. 온도 이동 계수는 − 0.21cm ^{− 1} 입니다. /K 및 − 0.19cm ^{− 1} /K, 각각. 동일한 온도 범위에서 두 장치의 스펙트럼 영역 사이에는 약간의 차이가 있는데, 이는 아마도 격자의 불균일한 리소그래피 및 에칭 프로세스로 인해 발생할 수 있습니다. 기기의 SMSR(측면 모드 억제 비율)은 약 25dB입니다. 이러한 장치의 우수한 선형 조정 기능, 단일 모드 및 높은 작동 온도로 인해 미량 가스 감지와 같은 일부 실제 응용 프로그램에서 매우 유용합니다.

<그림>

a의 레이저 스펙트럼 0.5 및 b 1mm 캐비티 길이 장치

0.5mm 기기의 원거리 분포는 그림 4에 나와 있습니다. 융기 폭 방향에서 발산각이 22.5 ^o 인 단일 로브 패턴 (FWHM)은 그림 4a와 같이 관찰됩니다. 그림 4b는 캐비티 길이 방향의 원거리장 패턴을 보여줍니다. 원거리장 패턴은 수작업 쪼개짐 및 잔류 패싯 반사의 불균일성으로 인해 발생하는 비대칭 모드가 선호됨을 나타냅니다[16]. 대칭 모드는 제어되지 않은 쪼개진 면 반사를 제거하기 위해 DFB 격자 영역의 양쪽에 DBR(Distributed Bragg Reflector) 격자를 사용하여 얻을 수 있습니다[17].

<그림>

0.5mm 캐비티 길이 장치의 원거리 분포. 아 , b 각각 ridge-width 및 cavity-length 방향의 원거리장 분포

결론

우리는 캐비티 길이를 0.5mm로 줄이고 두 면에 HR 코팅을 증착하여 CW 모드에서 작동하는 25°C에서 임계값 전력 손실이 0.43W로 매우 낮은 기판 방출 DFB QCL을 개발했습니다. 최대 광 전력은 2.4mW이고 해당 전력 손실은 0.76W였습니다. 매립된 2차 DFB 격자를 정의하여 15~105°C의 넓은 온도에서 모드 홉이 없는 단일 모드 방출을 얻었습니다. 발산 각도는 22.5 ^o 입니다. 및 1.94 ^o 능선 너비 방향과 공동 길이 방향으로 각각. 장치의 낮은 소비 특성으로 인해 일부 배터리 구동 휴대용 시스템에서 유망한 광원이 될 수 있습니다.

약어

CW:

연속파

DFB:

분산된 피드백

FP:

파브리 페로

FTIR:

푸리에 변환 적외선

FWHM:

최대 절반에서 전체 너비

인사:

높은 반사율

MBE:

분자빔 에피택시

MOVPE:

금속-유기 기상 에피택시

PECVD:

플라즈마 강화 화학 기상 증착

PHR:

부분적으로 높은 반사율

QCL:

양자 캐스케이드 레이저

SEM:

주사 전자 현미경

SMSSR:

사이드 모드 억제 비율

기술:

열전 냉각기

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