高出力分布ブラッグ反射器量子カスケードレーザーにおける異常なモード遷移

はじめに

量子カスケードレーザー（QCL）は、基本的な半導体レーザーとは異なり、ユニポール半導体レーザーの一種です。つまり、伝導帯の状態間の電子遷移のみです[1]。実験での最初のデモンストレーション以来、中赤外線から遠赤外線からテラヘルツ波までの範囲をカバーする長波長のハイライト機能により、大きな注目を集めています。このような広い波動領域は、ガス検知、高分解能分光法、および工業プロセス監視におけるアプリケーションの高まる需要を満たすことができます。ただし、一部のアプリケーションでは、狭い線幅と高い出力電力が必要です。分散フィードバック（DFB）QCLと外部キャビティ（EC）QCLは、シングルモードエミッションを実現するための2つの一般的な方法です[2、3]。 DFB QCLの出力電力は100ミリワットのオーダーであり、チューニング範囲は約5 cm ^-1 と小さいです。 、単一ガス検知に適しています[4,5,6]。 EC QCLは、チューニング範囲がはるかに広いため、複数のガス種の検出に適しています[7]。ただし、スタンドオフ検出やリモートセンシングなどの一部のアプリケーションでは、高出力のシングルモード光源が必要です。これらのアプリケーションでは、分布ブラッグ反射鏡（DBR）QCLが、コンパクトで高出力のレーザー光源として適しています。 DBRレーザーは近赤外波領域でかなり研究されていますが[8,9,10]、QCLに関する研究は少なく、2011年にワイドチューニング[11]、2014年にハイパワー[12]で報告されたものはほとんどありません。ただし、これらのレポートでは、スペクトル特性は詳細に調査されていません。さらに、この種の同様の異常モードホップは、近赤外線（IR）DBR半導体レーザーで分析されています[9、10]。しかし、それはまだQCLデバイスに欠けています。シングルモードQCLのスペクトル特性が実際のアプリケーションにとって重要であることを考慮すると、異常で未踏の特性は広範囲に調査して蓄積する必要があります。ここでは、DBR QCLをデモンストレーションし、それらのスペクトル特性を詳細に調査します。

メソッド

DBRグレーティングは、従来のダブルビームホログラフィ干渉法プロセスによって定義されました。設計されたデバイス構造を図1に示します。ゲインセクションとDBRセクションは電流遮断溝によって分離されており、ゲインセクションのみに電流が注入されています。 QCL構造は、参考文献と同様の活性領域構造を持つ固体ソース分子線エピタキシー（MBE）によってnドープInP基板上に成長しました。 [13]。この作業で提示されたアクティブコア構造には、50期間のひずみ補償されたIn _0.58 が含まれています。 Ga _0.42 As / In _0.47 Al _0.53 量子井戸として。 1周期の特定の層シーケンスは次のとおりです（ナノメートル単位の層の厚さ）： 4 /1.7/0.9 /5.06/0.9 /4.7/ 1 /3.9/ 1.8 /3.2/ 1.7 /2.8/ 1.9 / 2.7 / 2.8 /2.6、ここでIn _0.47 Al _0.53 バリアレイヤーが太字で示されているため、In _0.58 Ga _0.42 同様に、層はローマ字であり、nドープ層（1.4×10 ¹⁷ cm ^-3 ）は斜体です。製造前のウェーハ構造全体は、4.5μmInP下部クラッド層（Si、3×10 ¹⁶ ）です。 cm ^-3 ）、50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 上部閉じ込め層として（Si、4×10 ¹⁶ cm ^-3 ）。厚さ100nmのSiO ₂ 層はウェーハ全体の上部InGaAs閉じ込め層に堆積され、次にSiO ₂ 格子を製造するためにDBRセクションの一部が削除されました。その後、グレーティング周期が1.2μmのダブルビームホログラフィ干渉法プロセスを使用して上部InGaAs閉じ込め層にグレーティングを定義し、ウェット化学エッチングによって約130 nmの深さまで転写し、続いて残留SiO ₂ 取り除かれた。次に、厚さ3μmの上部InPクラッド層（Si、2×10 ¹⁶ ）からなる上部導波路 cm ^-3 ）、0.15μmの段階的にドープされたInP層（Si、1.5×10 ¹⁷ cm ^-3 ）および0.85μmの厚さの高濃度にドープされた上部InP接触層（Si、5×10 ¹⁸ cm ^-3 ）有機金属気相成長法（MOVPE）によって再成長しました。

ゲインセクション L で構成されるDBRQCLのスキーム _G 、DBRセクション L _DBR および電流絶縁ギャップ

再成長の実装後、ウェーハは平均コア幅10μmのダブルチャネルリッジ導波路レーザーに加工され、効果的な熱放散と電気絶縁の目的でチャネルが半絶縁性InP：Feで満たされました。次に、ゲインセクションとDBRセクションの間の長さ200μmの電流絶縁溝を、DBRセクションへの電流注入をブロックするために、ドライエッチングによって深さ1.1μmの高濃度にドープされ徐々にドープされた上部InP層を通してエッチングされました。次に、450nmの厚さのSiO ₂ の絶縁層 が堆積され、電流注入ウィンドウがゲインセクションのすぐ上に開かれました。続いて、電子ビーム蒸着によって堆積されたTi / Au層によって電気的接触が提供され、さらに熱放散を改善するために、追加の5μm厚の金層が電気めっきされました。約120μmまで薄くした後、Ge / Au / Ni / Au金属接触層をウェーハの基板側に堆積させた。最後に、ウェーハを長さ4.3 mmのゲイン領域、長さ1.5 mmのDBR領域、長さ0.2mmの電流絶縁溝からなる長さ6mmのデバイスに劈開し、デバイスをエピ層側を下にしてはんだ付けしました。インジウムはんだを使用したダイヤモンドヒートシンク。その後、銅ヒートシンクにはんだ付けされました。

結果と考察

デバイスのスペクトルは、0.125 cm ^-1 の分解能でフーリエ変換赤外分光計によってテストされました。 。デバイスの電力-電流-電圧（P-I-V）特性は、校正済みのサーモパイル検出器によってテストされました。レーザーは、サブマウントの温度を監視および調整するために、サーミスタと熱電冷却器を組み合わせたホルダーに取り付けられました。放出された光パワーは、補正なしでレーザーファセットの前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。

図2aは、20°Cから70°Cまでのさまざまなヒートシンク温度でのDBRレーザーの連続波（CW）発光スペクトルを示しています。ステップは2°C、注入電流は1.005I _th 。図2bは、レーザーの波数対温度曲線を示しています。挿入図は、対数座標による24°Cのレーザースペクトルを示しています。ここで、サイドモード抑制率（SMSR）は約25dBです。従来のシングルモードDFBQCLでは、温度または電流の増加に伴い、波長はより長い波長に直線的にシフトします[14、15]。ただし、図2からわかるように、異常なチューニング動作が観察され、温度が上昇するとモードがより短い波長にホップします。

a 温度とともに変化するレーザーの発光スペクトル。 b レーザーの波数対温度曲線。挿入図は、対数座標による24°Cのレイジングスペクトルを示しています

異常モードホップの発生を定性的に説明するには、まず、DBR QCLデバイスでのシングルモードのメカニズムを分析する必要があります。これは、図3に明確に示されています。図3aは、測定されたウェーハゲイン曲線と計算された反射を示しています。 MATLABによる転送行列法に基づくブラッググレーティングの曲線。長さ1.5mmのDBRグレーティングの反射率は約98％です。わかりやすくするために、DBR QCLのモード選択メカニズムの概略図を示します。ここでは、ゲイン曲線、ブラッググレーティングの反射曲線、DBR QCLキャビティ内の位相条件を満たす許容縦モードが表示され、それらのシフトが示されています。図3bの温度上昇に伴う特性。これらの縦モードのうち、どの縦モードがレイジングモードになりますか？ 2つの条件を満たす必要があります。最初に、ブラッグ反射ピーク内に配置する必要があります。もう1つの条件は、ゲインと反射率の値の積が最大になることです[9]。さらに、ゲイン曲線、反射曲線、および縦モードスペクトルはすべて、温度の上昇とともにより長い波長に移動しています。次に、温度の変化に応じてゲインピークの曲線を測定してフィッティングし、移動速度が-0.581 cm ^-1 になるようにしました。 K ^-1 。温度上昇に伴うブラッグ反射ピークは約− 0.128 cm ⁻¹ K ^-1 私たちのグループによると、以前に報告された同様の波域での結果[16]。つまり、温度が上昇しても、ブラッグ反射ピークは常にゲインピークの短波長側に留まります。温度の上昇に伴う縦モードスペクトルの動きは、主に温度の上昇に伴って成長するモード屈折率に起因し、その移動速度は、温度の上昇がゲインの移動速度よりも小さいブラッグ反射ピークの移動速度に類似しています。ピーク。ただし、キャリア注入による熱の影響により、ゲイン領域の温度はDBR領域の温度よりもわずかに高くなります。その結果、縦モードスペクトルは、温度の上昇に伴ってブラッグピークよりもわずかに速く移動する可能性があります。図3bのブラッグピーク内の3つの縦モードをa、b、cとして番号付けします。開始時、モードaはレイジングモードであり、モードaは直線的に調整され、温度の上昇とともにより長い波長にシフトしていました。モードaがブラッグ曲線の中心から離れてシフトし、縦モードスペクトルの移動速度がわずかに速いためにゲインと反射率の値の積が最大でなくなった場合、レイジングモードはモードbに置き換えられます。次に、モードbはモードaのプロセスを繰り返し、以下同様に続きます。そのため、図2の異常モードホップの現象が観察されます。モードホップを確認するために、縦モードの間にあります。次に、デバイスの有効キャビティ長全体に相対的な縦モード間隔を計算しました。 DBR QCLの有効キャビティ長全体は、有効DBRセクション長、ゲインセクション長、およびアイソレーションギャップ長の合計です。有効なDBRの長さの定義は、位相が反射の最大値の近くで比較的直線的に変化することに注意することです。このような反射は、グレーティングの反射の大きさに等しい離散ミラー反射で十分に近似できますが、距離は L になります。 _eff 図4aに示すように離れます。つまり、DBRグレーティング全体の機能は、パッシブ導波路に相当する反射鏡に置き換えられます。物理DBRグレーティング長の実効DBR長は、次の式に基づいて計算できます[17]：

ここで、κはグレーティング結合係数であり、 L _DBR は物理的な回折格子の長さ、\（\ Delta \ overline {\ mathrm {n}} \）は回折格子の有効屈折率の差、\（\ overline {\ mathrm {n}} \）はの平均有効屈折率ですグレーティング、およびΛはグレーティングの周期です。図4bは、DBR領域の有効長と物理DBRグレーティングの長さの関係を示しています。これは、物理DRBグレーティングの長さが1.5mmを超えると、有効DBRの長さがほとんど変化しないことを示しています。 1.5mmの物理DBRグレーティング長の有効DBR長は約0.291mmです。その結果、理論的な縦モード間隔は約0.328 cm ^-1 になります。 。実験的な異常モードのホップ間隔は約0.12cm ^-1 です。 図2に示すように、温度によるレイジングモードの平均線形チューニング特性は約0.103 cm ^-1 です。 K ^-1 異常な前に、すべてのモードホップが発生します。したがって、対応するモード間隔は0.326 cm ^-1 です。 、これは0.328 cm ^-1 の計算結果とほぼ一致しています。 エラーは− 0.002 cm ^-1 。

a ウェーハゲイン曲線を測定し、MATLABによる転送行列法に基づいてブラッググレーティングの反射曲線を計算しました。 b DBRQCLのモード選択メカニズムの概略図

a DBRグレーティングの有効ミラーの定義の概略図。 b 有効なDBRの長さと物理的なグレーティングの長さ

図5aは注入電流によって変化する発光スペクトルを示し、図5bの上部パネルはデバイスの波数対温度曲線を示し、図5bの下部パネルはレーザーのCW P–I曲線を示しています。異常なモードホップの同様の現象は、図5の注入電流の増加でも観察され、モードホップが発生すると、P–I曲線に明らかな不連続性が見られます。これは、従来のシングルモードDFBQCLでは発生しません。ストップバンドの2つのサイドモード間で時折モードホップします。熱効果による注入電流の増加に伴い、ゲインピークは常に長波長側にシフトします。 CW条件での電流変化に伴うウェーハのゲイン曲線を測定し、電流変化に伴うゲインピークのフィッティング曲線を測定して、移動速度-0.021 cm ^-1 を得ました。 mA ^-1 。ゲイン領域の真上に電流注入ウィンドウが開いており、アイソレーションギャップが存在するため、DBRセクションへの電流注入による熱クロストークの影響は弱いです。したがって、ブラッグ反射曲線は注入電流によってほとんど変化しません。縦モードスペクトルも、熱効果によって引き起こされるモード有効屈折率の変化により、わずかに長波長に移動します。したがって、注入電流を上げると、異常なモードホップの同様の現象が観察されます。最初の異常モードのホップ間隔は約0.904cm ^-1 です。 図5に示すように、モードホップは3つの縦モードに交差しました。 2番目のモードホップは、0.301 cm ^-1 の間隔で隣接する縦モード間にあります。 。注入電流を使用したレイジングモードの平均線形チューニング特性は、約-0.003 cm ^-1 です。 mA ^-1 すべての異常モードホップが発生する前に。したがって、対応するモード間隔は約0.331 cm ^-1 です。 、これも0.328 cm ^-1 の計算結果とほぼ一致しています。 0.003 cm ^-1 の誤差で 。

a 注入電流によって変化する発光スペクトル。 b 上のパネルは波数対温度の曲線を示し、下のパネルはレーザーのCW電力-電流（P-I）曲線を示しています

図6aは、キャビティ長が4mmのDBRレーザーとファブリペロー（FP）レーザーのパワーの比較を示しています。 FPレーザーとDBRレーザーの最大出力は、20°Cでそれぞれ987mWと656mWです。 DBRレーザーの最大出力は、ヒートシンク温度70°Cでも235 mWです。これは、長波赤外線スペクトル範囲のシングルモードQCLでこれまでに報告された最高の出力レベルを表しています。損傷を避けるために、レーザーは最大動作電流までテストされていません。図6bは、MATLABによる転送行列法に基づいた、同じキャビティ長6mmのDBR、FP、およびDFBレーザーの光場分布を示しています。 DBRレーザーの光場分布は、デバイス内の光の強度がFPレーザーと同様にゲインセクションでほぼ一定であるのに対し、DBRセクションでは急激に減少することを示しています。これはDFBレーザーとは異なりパワー抽出に有利です。 、その光強度はデバイスの中央でピークに達し、過結合メカニズムのために両端のファセットに向かって急速に減衰します。その結果、ほとんどの光強度はデバイスの中央で制限されます。 DFBレーザーの結合強度は、キャビティの長さに正比例します。したがって、DFBレーザーは、長いキャビティ長のデバイスに劈開するのには適していません。結果として、DBRレーザーの他の顕著な利点は、高出力を得るのに長いキャビティ長のデバイスで製造できることです。したがって、DBR構造は、高出力およびシングルモード放射を実現するための一種の潜在的な方法です。

a 赤い曲線はDBRレーザーのCW電力-電流-電圧（P-I-V）曲線であり、黒い曲線はファブリペロー（FP）共振器のCW電力-電流-電圧（P-I-V）曲線です。空洞。 b 同じキャビティ長6mmのDBR、FP、DFBレーザーのシミュレートされた光場分布

結論

要約すると、高出力電力のDBRQCLを示しました。モードホップ特性は詳細に分析されており、この研究は実際のアプリケーションに役立ちます。最大CW出力電力は、4.3mmの長さのゲイン領域を持つデバイスの20°Cで656mWです。光場分布と分析結果の比較から、DBRはQCLが高出力パワーとシングルモード放射を達成するための潜在的かつ効果的な方法であると結論付けています。

データと資料の可用性

すべてのデータは制限なしで完全に利用可能です。

略語

CW：

連続波

DBR：

分布ブラッグ反射鏡

DFB：

分散フィードバック

EC：

外部キャビティ

FP：

ファブリペロー

MBE：

分子線エピタキシー

MOVPE：

有機金属気相エピタキシー

P–I–V：

電力-電流-電圧

QCL：

量子カスケードレーザー

SMSR：

サイドモード抑制率