タルボットキャビティと統合されたテーパー量子カスケードレーザーアレイ

背景

1994年に発明された量子カスケードレーザー（QCL）は、その波長の柔軟性と携帯性のために、中赤外線および遠赤外線の最も重要な光源の1つです[1,2,3]。 QCLの一般的なアプリケーションは、自由空間光通信や指向性赤外線対策（DRICM）、爆発物、毒素、汚染物質の微量化学センシング、医療試験など、多くの分野をカバーしています[4、5、6、7]。一部のアプリケーションでは、妨害効果と検出精度を向上させるために、常に高出力の光パワーが必要です。アクティブ領域領域の幅を広げることにより、高出力QCLを得ることができます。ただし、導波路工学設計や外部光学系を使用せずにリッジを単純に広げると、QCLのビーム品質が低下し、複数のローブの遠方界パターンが放出されます[8]。単一ローブ放射は、過去に、フォトニック結晶分散フィードバック（PCDFB）QCL、角度付きキャビティQCL、マスター発振器パワーアンプQCL、および外部フィードバックメカニズムを介した広域QCLなどの方法で得られました[9、10、11 、12]。最近、位相ロックアレイは、コヒーレントな狭いビームパターンで広いリッジQCLを放射し続けるための一般的なアプローチです。

フェーズロックアレイは、1980年代からワイドリッジおよび低発散半導体レーザーに巧みに適用されてきました[13]。以前の研究では、位相ロックQCLアレイは、近赤外レーザーが過去に行ったように、Y接合アレイ、共振漏洩波結合アレイ、およびエバネッセント波結合アレイで研究されてきました[14、15、16 、17、18]。これらの構造は、導波路に大きな損失をもたらすか[15]、または結合を得るために短い隣接距離を追求することによって熱を蓄積させます[16、17、18]。最近、回折結合タルボット効果に基づいてサイドキャビティを統合した回折結合QCLアレイが報告されました[19]。回折結合構造では、リッジ端の回折とキャビティファセットの反射により、タルボットキャビティで結合が発生します。回折結合されたフェーズロックQCLアレイエレメントは、広いスペースに配置できるため、熱の蓄積が減少します。

タルボット効果は、周期構造が特定の一定距離で自己像を生成する可能性があるというよく知られた光学現象です[20]。この効果は、近赤外の位相ロックレーザーに利用されています。これは、回折結合方式の位相ロックアレイと呼ばれます[21、22、23]。この方法では、光学フィードバックを提供するために、レーザーアレイのキャビティファセットの前にフラットミラーを配置する必要があります。ミラーとアレイファセットの間の長さは、いわゆるタルボット距離であり、

ここで n は材料の屈折率、 d はアレイの中心間距離であり、λ は自由空間の波長です。アレイチャネルに反射されるスーパーモードは、自己生殖振動を取得します。図1は、Talbotの分数距離における基本スーパーモードと高次スーパーモードの分布を示しています。 Z のスーパーモード _t / 4の位置がアレイチャネルに反映され、基本的なスーパーモードの重ね合わせと操作が抽出されます。

分数タルボット平面での基本的および高次のスーパーモード分布。青い楕円は基本的なスーパーモードに対応し、茶色の楕円は高次のスーパーモードに対応します

タルボットキャビティとアレイチャネル間の結合効率が低いため、タルボットキャビティフェーズロックQCLアレイの出力電力は制限されます。タルボットキャビティQCLアレイの出力をさらに上げるには、充填率（リッジ幅と周期の比率）を上げる必要があります。一方、チャネル幅を広げると、アレイ要素の高次モード放射が発生します。中心間距離を短くすると、熱の蓄積が増加します。テーパー構造は、単一の尾根自体の基本モード動作を保証すると同時に、充填率を高めるための最良の方法の1つです。この手紙では、テーパー構造が利用されており、タルボットキャビティはそれぞれテーパー構造の片側に統合されています。ストレートエンドがタルボットキャビティに接続されたデバイスは、2.7°の近回折限界（D.L.）遠方場発散を伴う基本的なスーパーモード動作を示します。対照的に、テーパーエンドがタルボットキャビティに接続されているデバイスは、タルボットキャビティの長さに関係なく、高次のスーパーモード動作を示します。しきい値電流密度3.7kA / cm ² のタルボットキャビティにストレートエンドが接続されたデバイスでは、1.3Wの最大ピーク電力が得られます。 スロープ効率は298Kで0.6W / Aです。

メソッド

QCLウェーハは、nドープ（Si、2×10 ¹⁷ ）上で成長しました。 cm ^-3 ）固体分子線エピタキシー（MBE）によるInP基板ウェーハ。アクティブ領域（AR）構造は、35周期のひずみ補償されたIn _0.67 で構成されます。 Ga _0.33 As / In _0.37 Al _0.63 量子井戸と障壁として。製造前のウェーハ構造全体は、4μm低いInPクラッド層（Si、3×10 ¹⁶ ）です。 cm ^-3 ）、0.3μm厚のn-In _0.53 Ga _0.47 層として（Si、4×10 ¹⁶ cm ^-3 ）、35のアクティブ/インジェクターステージ、0.3μmの厚さのn-In _0.53 Ga _0.47 層として（Si、4×10 ¹⁶ cm ^-3 ）、2.6μmInP上部クラッド層（Si、3×10 ¹⁶ cm ^-3 ）、0.15μmのInP徐々にドープされた層（1×10 ¹⁷ から変化） 〜3×10 ¹⁷ cm ^-3 ）、および0.4μmの高濃度にドープされたInPクラッド層（Si、5×10 ¹⁸ cm ^-3 。

MBEでエピタキシーを行った後、デバイスを湿式化学エッチング法でエッチングし、450nmのSiO ₂ を蒸着しました。 プラズマ化学気相成長法（PECVD）を使用します。電気注入ウィンドウを開いた後、上部の金属接点が形成されました。タルボットキャビティとテーパーアレイの2つのセクションは、Auトップコンタクトを介して電気的に接続されています。次に、ウェーハ基板を薄くし、下部コンタクトの金属接点を蒸発させた。タルボットキャビティの長さを正確に制御するために、ダイシングソーでウェーハを約2mmの長さに切断しました。最後に、デバイスをエピ層側を下にしてインジウムはんだで銅ヒートシンクにはんだ付けしました。タルボットキャビティセクションは電気的に注入されるため、熱はその広い寸法にわたって蓄積されます。これは、将来の作業で電気絶縁を使用することによって回避する必要があります。タルボットキャビティセクションは、ウェーハボンディングやアライメントなどの複雑な製造を採用することで、おそらく他の導波路材料に置き換えることができ、フェーズロック動作を実現できる可能性があります。図1のタルボットキャビティのスーパーモード分布によると、タルボットキャビティの長さは Z であると決定されました。 _t / 8参照と同様。 [19]これはこの手紙では約104μmです。図2に、デバイスのスケッチと顕微鏡写真を示します。アレイには、5つのテーパー要素とTalbotキャビティが含まれています。テーパーエレメントは、長さ1 mmのテーパーエンドと長さ約0.9mmのストレートエンドで構成され、幅は10から16μmに変更されます。アレイ内の隣接する要素間の中心間の間隔は25μmであり、各レーザーデバイスの長さは約2mmです。この論文のタルボット空洞の長さはすべて約104μmです。

a 配列内のテーパー要素のスケッチ。 b を使用したアレイの3D回路図 タルボットキャビティと c に接続されたストレートエンド d の前面顕微鏡画像に対応するTalbotキャビティに接続されたテーパーエンド および e

結果と考察

結合モード理論によれば、フェーズロックアレイのスーパーモードの数は要素の数と同じです[24]。たとえば、5つの要素を持つフェーズロックアレイには、5つのスーパーモードがあります。タルボットキャビティ内のアレイ要素間の隣接結合のみを想定すると、結合行列を使用して、異なる次数のスーパーモードの近接場分布パターンを取得できます[24]。アレイの横方向の寸法の関数として変化する近接場強度は、[25]：

ここで、 j スーパーモードの順序です、 M は配列要素の数、ω は各要素のガウスビームのウエストであり、 x _m 各要素の中心的な場所です。異なる次数のスーパーモードのシミュレーション結果を図3aに示します。対応する遠方場パターンは、図3bに示すように、近距離場分布からフーリエ変換を使用して推定できます。

a N の計算された近接場パターン =5要素の回折結合アレイの1、3、5次のスーパーモード。基本的なスーパーモード（ N =1）は、タルボットキャビティに接続されたストレートエンドと高次スーパーモード（ N ）に基づいて計算されます。 =3、5）は、タルボットキャビティに接続されたテーパーに基づいています。 b a に従ってシミュレートされた遠方界パターン 。 c タルボットキャビティに接続されたストレートエンドを備えたQCLアレイの測定された遠方界分布。 d テーパーエンドがタルボットキャビティに接続されたQCLアレイの測定された遠方界分布

タルボットキャビティフェーズロックアレイの遠方界パターンは、室温の水銀カドミウムテルル化物（MCT）検出器を備えたロックイン技術を使用して、アレイ導波路ファセットから測定されました。回転ステージに取り付けられたQCLアレイは、MCT検出器から約25 cm離れて配置され、データ収集用の自家製ソフトウェアによって制御されました。タルボットキャビティアレイの測定された遠方界パターンを図3c、dに示します。これは、タルボットキャビティデバイスに接続されたストレートエンドとタルボットキャビティデバイスに接続されたテーパーエンドに対応しています。図3cの遠方場分布は、0°で強い中心ローブを示しており、結合モード理論による基本的なスーパーモード動作の存在を示しています。半値全幅（FWHM）は約2.7°であり、これはD.L.による回折限界（D.L.）発散角を示しています。式：sin θ =1.22 λ / d 、ここでθ D.L.角度、λ は波長であり、 d アレイの光出力幅です。光出力幅が16μmのテーパーシングルエミッターの場合、D.L。 FWHMの発散は約21°です。サイドローブは〜12°付近に現れ、シングルエミッタの遠方界エンベロープのFWHM位置に非常に近いです。中央ローブとサイドローブの強度は、単一エミッタの遠方界パターンの分布に対応しています。したがって、サイドローブは中央ローブの半分の強度を持ちます。さらに、単一ローブ遠方界プロファイルアレイは、アレイ要素の発散を減らすためにリッジ幅を増やすことによって取得できます。テーパーを広くすることで、リッジ幅を広くすることができます。図3dの遠方界パターンは、中心0°の位置にローブがありませんが、主にダブルローブであり、図3bの3次スーパーモードに対応する高次スーパーモードの動作を示しています。基本的なスーパーモード動作を得るために、Talbotキャビティの長さが90〜110μmで1μmずつ異なるデバイスを製造しました。残念ながら、テーパーエンドがタルボットキャビティに接続されているデバイスの基本的なスーパーモード動作は、タルボットキャビティの長さに関係なく取得できません。

2つのタイプのアレイの遠方場の結果は、参考文献の理論モデルで説明できます。 [19、21]。タルボットキャビティは、スーパーモードごとに同等の反射率が異なる反射鏡として近似できます。等価反射率が高いということは、ゲイン効率が高く、しきい値ゲインが低いことを意味します。等価反射率の計算とシミュレーションは、参考文献と同様です。 [19]。図4は、タルボットキャビティ長の関数として変化するさまざまな次数のスーパーモードの等価反射率のシミュレーション結果を示しています。 N 以降 =2、フェーズロックアレイの4次スーパーモードでは、常に N よりも導波路損失が大きくなります。 =1、3、5次のスーパーモード。ここでのシミュレーションでは無視されます。タルボットキャビティアレイに接続されたストレートエンドの場合、基本スーパーモードは、 Z 周辺の高次スーパーモードと比較して、最高の等価反射率と大きな識別力を備えています。 _t / 8。タルボットキャビティに接続されたテーパーエンドの場合、基本スーパーモードと高次スーパーモードの区別は比較的小さいです。この場合、レーザーは、タルボットキャビティデバイスに接続されたテーパーエンドの弱いモード識別のために、3次スーパーモードで動作する傾向があります。

タルボットキャビティの理論上の等価反射強度は、 N のタルボットキャビティ長の関数として変化します。 =5要素のタルボットキャビティQCLアレイの1、3、5次スーパーモード。上部はタルボットキャビティに接続されたストレートエンドを示し、下部はタルボットキャビティに接続されたテーパーエンドを示します

放出された光パワーは、レーザー導波路ファセットの真正面に配置された校正済みサーモパイル検出器で測定されました。スペクトル測定は、0.25 cm ^-1 のフーリエ変換赤外（FTIR）分光計を使用して実行されました。 ラピッドスキャンモードでの解像度。図5aは、0.2％のデューティサークルで2 kHzに維持された電流ドライバを使用した、パルスモードでの電力電流（P-I）特性を示しています。ストレートエンドがタルボットキャビティQCLアレイに接続されているデバイスの場合、合計ピーク電力1.3 Wが、しきい値電流密度3.7 kA / cm ² で298Kで得られます。 スロープ効率は0.6W / Aで、1.6 Wの出力電力に対応し、しきい値電流密度は3.4 kA / cm ² 青い線と紫色の線で示されているように、テーパーエンドアレイのスロープ効率は0.65 W / Aです。対照的に、長さ2mm×幅10μmのリッジを備えた単一のレーザーデバイスは、0.41 Wの最大ピークパワー、3 kA / cm ² のしきい値電流密度を示します。 、および1 W / Aのスロープ効率。基本動作のアレイの出力電力は、シングルエミッタの3倍です。テスト結果をより簡単に示すために、3つのデバイスの出力特性を表1にまとめています。各要素からの平均出力電力は単一エミッターの約63％であり、参考文献よりも高くなっています。 [19]。参照。 [26]は、個々のアレイ要素の平均パワーが単一エミッターの43％に等しい、キャビティ内タルボットフィルターを備えたフェーズロックQCLアレイを報告しています。ウェットエッチング法によって2つの円形接合部で追加の光損失が発生するため、タルボットキャビティとアレイ要素の間に1つの接合部があるデバイスよりも効率が低くなります。参照。 [27]は、結合効率が約83％で、単一エミッターの5倍の出力電力を持つTalbotキャビティと統合された6要素デバイスを報告しています。私たちのデバイスの効率が低いのは、タルボットキャビティでのエッジ回折損失が強いことと、ウェットエッチング法による製造が原因である可能性があります。次の作業では、ドライエッチング法を採用し、テーパーゾーンの長さを長くしてさらにパワースケーリングを取得する必要があります。図4aの挿入図は、室温および1.3 I でのフェーズロックアレイのレイジングスペクトルを示しています。 _th 。中心波長は、縦モード選択メカニズムの欠如に起因するマルチモードの性質で4.8μmであると測定されました。シングルモードスペクトルは、最上部のクラッド層に分散フィードバック（DFB）グレーティングを導入することで実現できます。幅広いQCLおよびQCLアレイの熱特性は、有限要素ソフトウェアCOMSOLを使用してシミュレートされます。固定リッジ幅は10μmに設定され、アレイ要素の間隔は5μmのステップで0から20μmに変化します。図5bは、要素の空間の関数として変化するARの温度を示しています。ワイドリッジデバイスのARの温度は、タルボットキャビティデバイスの温度よりも約20K高くなっています。

a タルボットキャビティQCLアレイに接続されたストレートエンド（青色の線）/テーパーエンド（紫色の線）および幅2mm×10μmの298Kでの注入電流の関数としての総ピーク電力変化シングルレーザー（緑色の線）。すべてのデバイスには、キャビティの両側にコーティングが施されていません。現在のドライバは、0.2％のデューティサークルで2kHzに維持されます。挿入図は、しきい値電流の1.3倍でのストレートエンドアレイのレイジングスペクトルであり、ピークは約4.8μmです。 b アレイ要素の空間の関数として変化するQCLアレイのアクティブ領域の温度。アレイ要素のリッジ幅は10μmに固定されており、空間は5μm刻みで0から20μmに変化します。

結論

結論として、ストレートエンドとテーパーエンドのそれぞれでタルボットキャビティと統合されたテーパーQCLアレイを示しました。ストレートエンドに統合されたタルボットキャビティを備えたデバイスは、D.L。を備えた基本モードの遠方界パターンを示しています。 4.8μmの発光波長で2.7°の発散。スロープ効率が0.6W / Aのストレートエンドアレイでは、1.3Wの出力電力が得られます。タルボットキャビティフェーズロックアレイは非常に近い結合距離を必要としないため、熱の蓄積はエバネッセント波結合アレイよりも低くなります。このようなデバイスは、D.L。を使用した高デューティサイクル動作の高輝度QCLアレイの可能性を秘めています。発散。今後の作業では、適切なアレイ要素のリッジ幅と間隔の選択、埋め込みリッジ導波路の使用、およびマイクロインピンジメントクーラーによる熱管理に焦点を当てる必要があります[28]。さらに、ARのカスケード数の減少は、高輝度QCLの高デューティサイクル動作に大きく貢献します[29]。

略語

AR：

アクティブ領域

CW：

連続波

D.L。：

回折限界

DFB：

分散フィードバック

FWHM：

半値全幅

I _th ：

しきい値電流

MBE：

分子線エピタキシー

MCT：

水銀-カドミウム-テルル化物

MOVPE：

有機金属気相エピタキシー

PECVD：

プラズマ化学気相成長法

P-I：

電力電流

QCL：

量子カスケードレーザー

WPE：

ウォールプラグの効率