低消費電力基板発光DFB量子カスケードレーザー

背景

近年、量子カスケードレーザー（QCL）は急速な発展を遂げ、中赤外周波数領域で最も有望な光源になりました[1,2,3]。ハイパワー、シングルモード動作、コンパクトサイズの恩恵を受けた分散フィードバック（DFB）QCLは、微量気体検知、自由空間通信、物質分析などの多くのアプリケーションで広く使用されています[4、5、6]。ただし、QCLの残りの欠点は、電力損失が大きいことです。これにより、一部のポータブルで高度に統合されたシステムでのアプリケーションが制限されています。消費電力を減らすための最も簡単な方法は、キャビティを短くしたり、リッジを狭くしたりするなど、デバイスの形状サイズを小さくすることです。高反射率（HR）コーティングは、ミラー損失を減らすのにも非常に効果的です。ファブリペロー（FP）QCLのしきい値消費電力を低減するために、短いキャビティを使用し、ファセットにHRコーティング[7]または部分的高反射（PHR）コーティングを堆積することによっていくつかの研究が行われています[8]。 ACリチャードらによって、22°Cで1.2 W、25°Cで0.83Wという低い消費電力が実証されています。それぞれ、Y。Baietal。これらの方法は、DFBデバイスにも適用できます。 2014年、Ryan M. Briggs etal。 4.8μmで発光するシングルモードDFBQCLを報告し、CWしきい値の消費電力は0.76 W、最大光パワーは20°Cで約17mWです[9]。 2015年、A。Bismutoetal。短いキャビティ、狭いリッジのシングルモードDFB QCLが4.5μmで発光し、CWしきい値の消費電力が20°Cで0.5Wと低いことが実証されました[10]。最大光パワーは約150mWです。ただし、注入される電力は6 Wを超えます。ドーピングの最適化や低周期のアクティブ構造などの他の方法も調査されています[7、11]。エッジ放射QCLの場合、HRコーティングは通常、背面ファセットに堆積され、前面ファセットから放出される光パワーを維持しながらミラー損失を減らすために、前面ファセットをコーティングせずに、またはPHRコーティングしたままにします。代わりに、両方のファセットを基板発光用にHRコーティングして、光が前面ファセットではなく基板から放射されるため、ミラー損失をさらに減らすことができます。さらに、基板放出QCLから改善された遠方場分布が期待できます[12、13]。最近の研究によると、20°Cで1.27Wの低しきい値消費電力の基板発光DFBQCLは、両方のファセットにHRコーティングを堆積することによって得られました[14]。参考文献[14]のアクティブ領域は40の超格子周期で構成され、しきい値電圧は約13 Vです。したがって、アクティブ領域の周期数を減らすと、しきい値電圧が低くなるため、しきい値消費電力が低くなることが期待できます。埋め込み2次グレーティングを適切に設計して、しきい値の消費電力を減らすことにより、1mmのキャビティ長をさらに短縮することもできます。

本研究では、超低消費電力の基板発光DFBQCLを開発しました。 CWモードで動作するしきい値消費電力は、キャビティ長を0.5 mmに短縮し、両方のファセットにHRコーティングを施すことにより、15°Cで0.4 W、25°Cで0.43Wと低くなっています。 CWモードでの最大光パワーは25°Cで2.4mWであり、分光アプリケーションには十分です。シングルモード放射は、埋め込み2次グレーティングを使用することで実現されました。発散角は22.5 ^o です。 および1.94 ^o それぞれ、尾根幅方向と空洞長方向の半値全幅（FWHM）。キャビティ長方向のダブルローブ遠方場分布は、反対称モードが優先されることを示しています。これらのデバイスは、15〜105°Cの広い温度範囲でモードホップなしのCWモードで動作でき、高度に統合されたポータブルアプリケーションに非常に適しています。

メソッド

デバイスのアクティブ領域は、〜4.6μmで発光するひずみ補償された2フォノン共振設計に基づいていました。ウェーハはnドープ（Si、2×10 ¹⁷ ）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。 In _0.67 の30ステージ Ga _0.33 As / In _0.36 Al _0.64 量子井戸と障壁がアクティブコアに含まれていたため、参考文献と同様でした。 [15]全体の層シーケンスは次のとおりです。1.2μmの厚さの下部クラッド層（Si、2.2×10 ¹⁶ cm ^{− 3} ）、0.3μm厚のn-In _0.53 Ga _0.47 レイヤーとして（Si、4×10 ¹⁶ cm ^{− 3} ）、30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 レイヤーとして（Si、4×10 ¹⁶ cm ^{− 3} ）、およびトップ導波管クラッディングプレーヤー。埋め込みグレーティングを製造するために、上部の導波路クラッド層が上部のInGaAs層まで除去されました。 Λの周期を持つ2次グレーティング =1.42μm（デューティサイクルσ =0.45、深さ d =130 nm）は、ホログラフィックリソグラフィ技術とウェットケミカルエッチングにより、厚さ0.3μmの上部InGaAs層で定義されました。図1aは、埋め込まれた2次回折格子の走査型電子顕微鏡（SEM）画像を示しています。その後、厚さ3μmの低濃度ドープInP層（Si、2.2×10 ¹⁶ cm ^{− 3} ）に続いて、0.15μmの徐々にドープされたInP層（Si、1×10 ¹⁷ から） 〜3×10 ¹⁷ cm ^{− 3} ）および0.4μmの高濃度ドープInPクラッド層（Si、5×10 ¹⁸ cm ^{− 3} ）有機金属気相エピタキシー（MOVPE）による上部クラッドとして順番に達成されました。

a 埋め込み格子と b のSEM画像 COMSOLを使用した埋め込み2次グレーティングのシミュレートされた結合係数と結合強度

再成長の実装に続いて、ウェーハは平均コア幅7μmのダブルチャネル導波路構造にエッチングされました。次に、厚さ450nmのSiO ₂ 絶縁のためにプラズマ化学気相成長法（PECVD）によって堆積されました。幅2μmの電子注入ウィンドウがSiO ₂ 上にパターン化されました 尾根の層、および電気的接触はTi / Au層によって提供されました。より良い熱放散のために、追加の4μmの厚さのAu層が電気めっきされました。実際に劈開する前に、2次埋没格子の設計のための大規模なシミュレーションが、参考文献と同様の有限要素法ソフトウェア（COMSOL）を使用して実装されました。 [16] 150 µmに薄くした後、導波路は0.54〜1.77および1.08〜3.55の結合強度にそれぞれ対応する0.5mmおよび1mmの長さのデバイスに劈開されました。次に、これらのデバイスの両方のファセットを電子ビーム蒸着によってHRコーティングしました。 HRコーティングはAl ₂ で構成されていました O ₃ / Ti / Au / Al ₂ O ₃ （200/10/100/120）。デバイスは、インジウムはんだを使用して銅製ヒートシンクにエピ層で取り付けられ、外部コンタクトパッドにワイヤボンディングされました。

デバイスのテストは、ヒートシンクの温度を調整および監視するサーミスタを備えた熱電冷却器（TEC）ステージで行われました。 QCLの出力電力は、レーザー放射を収集する金属管を備えたデバイスの真正面に配置された校正済みサーモパイル検出器（Coherent、EMP1000）によって測定されました。次に、デバイスを0.01 ^o の分解能でステップモーター制御の回転ステージに配置しました。 遠方界分布テストでは、室温のHgCdTe検出器（Vigo、PVMI-10.6）をレーザーの前に30 cmの距離で配置して、放射線を検出しました。スペクトル測定は、フーリエ変換赤外（FTIR）分光計（Thermo Fisher Scientific、Nicolet 8700）を使用して、0.25 cm ^{− 1} の分解能で実行されました。 高速スキャンモードで。

結果と考察

COMSOLのシミュレーション結果を図1bに示します。計算によると、|κ|の結合係数=35.5〜10.75 cm ^{− 1} は、デューティサイクルが0.35〜0.45、エッチング深さが180nmの埋め込み型グレーティングで得られます。結合強度 g =|κ| L 、ここで L QCLのキャビティ長です。効率的な表面発光を得るには、常に1〜2の結合強度が必要です。キャビティ長が1mmと0.5mmのデバイスの場合、デューティサイクルが0.35〜0.45の場合、シミュレートされた結合強度は3.55〜1.07と1.78〜0.54の範囲になります。したがって、埋め込みグレーティングの設計は、短いキャビティ長のデバイスにとって非常に重要です。

特に興味深いのは、電気的特性です。光電流電圧（L-I-V ） キャビティ長が異なるデバイスの曲線を図2に示します。レーザーはCWモードで動作し、ヒートシンクの温度は温度コントローラー（Thorlabs、ITC-QCL-4000）によって調整されました。図2aに示すように、キャビティの長さが1 mmのデバイスは、25°Cで65 mAのしきい値電流を示します。これは、0.54 kA / cm ^{− 2} のしきい値電流密度に対応します。 消費電力は0.67Wです。最大光パワーは8.6mW、注入電力は1.66 W、スロープ効率は0.11 W / Aです。 65°Cの高温でも、最大光パワーは5mWを超えます。図2bに示すように、0.5 mmのキャビティ長のデバイスの場合、しきい値電流と消費電力は15°Cで39mAと0.4Wに減少します。しきい値電流密度は0.65kA / cm ^{− 2} 。注入電力が0.74Wの場合、最大光電力2.8 mWが推定されます。25°Cでは、しきい値電流はわずかに41 mAに増加し、消費電力は0.43Wに相当します。同じ温度でのQCLの最低しきい値消費電力。このデバイスの最大光パワーは2.4mWで、消費電力は0.76 Wです。これは、一部の高度に統合されたセンサーアプリケーションに非常に適しています。 35°Cでの最大光パワーは約1.9mWです。このデバイスは、CWモードで105°Cの高温で動作できますが、出力電力が小さくなり、正確に検出するのが困難になります。参考文献[9,10,11]の以前の作品と比較すると、デバイスのウォールプラグ効率が低いため、私たちの設計の最大光パワーは顕著ではありません。これは、エピタキシーウェーハの品質によって本質的に制限されます。さらに、0.5 mmのキャビティ長デバイスの最大ウォールプラグ効率は、室温で0.32％であり、1 mmのキャビティ長デバイスの最大効率である0.5％よりも低くなっています。

1 mmのL-I-V特性（ a ）および0.5 mm（ b ）デバイス

レーザーのスペクトル特性を図3に示します。1mmと0.5mmの両方のデバイスは、15〜105°Cの広い温度範囲でモードホップなしでCWモードで動作できます。これは、すべての低消費電力QCLの中で最も高い動作温度です。このような高い作動温度は、主にファセットのHRコーティングによってもたらされるミラー損失の減少から恩恵を受けます。温度シフト係数は− 0.21 cm ^{− 1} / Kおよび− 0.19 cm ^{− 1} それぞれ/ K。同じ温度範囲での2つのデバイスのスペクトルレジームにはわずかな違いがあります。これはおそらく、グレーティングの不均一なリソグラフィとエッチングプロセスが原因です。デバイスのサイドモード抑制率（SMSR）は約25dBです。これらのデバイスの優れた線形調整機能、シングルモード、および高い動作温度により、微量ガス検知などの実際のアプリケーションで非常に役立ちます。

a のレイジングスペクトル 0.5および b 1mmのキャビティ長デバイス

0.5 mmデバイスの遠方界分布を図4に示します。リッジ幅方向では、発散角が22.5 ^o のシングルローブパターンです。 図4aに示すように、（FWHM）が観測されます。図4bは、キャビティ長方向の遠方界パターンを示しています。遠方場パターンは、反対称モードが優先されることを示しています。これは、手作りの劈開と残留ファセット反射の不均一性によって引き起こされます[16]。対称モードは、DFBグレーティング領域の両側に分布ブラッグ反射鏡（DBR）グレーティングを使用して、制御されていない劈開ファセット反射を排除することで取得できます[17]。

0.5mmのキャビティ長デバイスの遠方界分布。 a 、 b それぞれ尾根幅方向と空洞長方向の遠方場分布

結論

キャビティ長を0.5mmに短縮し、両方のファセットにHRコーティングを施すことにより、CWモードで動作する25°Cで0.43Wの超低しきい値消費電力を備えた基板発光DFBQCLを開発しました。最大光パワーは2.4mWで、対応する消費電力は0.76 Wでした。埋め込み2次DFBグレーティングを定義することにより、15〜105°Cの広い温度でモードホップのないシングルモード放射が得られました。発散角は22.5 ^o です。 および1.94 ^o それぞれ尾根幅方向と空洞長さ方向に。デバイスの低消費特性により、一部のバッテリ駆動のポータブルシステムで有望な光源になる可能性があります。

略語

CW：

連続波

DFB：

分散フィードバック

FP：

ファブリペロー

FTIR：

フーリエ変換赤外

FWHM：

半値全幅

HR：

高い反射率

MBE：

分子線エピタキシー

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

PHR：

部分的に高い反射率

QCL：

量子カスケードレーザー

SEM：

走査型電子顕微鏡

SMSR：

サイドモード抑制率

TEC：

熱電冷却器