タルボ空洞統合による高出力テーパード量子カスケードレーザーアレイ

概要

広域量子カスケードレーザー（QCL）の出力スケーリングは通常、複数ローブの遠方場パターン放出によりビーム品質の劣化を招く。本書簡では、アレイの一側にタルボ空洞を統合したテーパードQCLアレイを実証する。テーパー直線端がタルボ空洞に接続されたアレイでは基本スーパーモード動作を達成。基本スーパーモードの横方向遠方場は2.7°の近似回折限界ビーム発散を示す。5素子アレイの出力電力は、約4.8μmの発光波長で単一リッジレーザーの約3倍。一方、テーパー端がタルボ空洞に接続されたアレイでは、タルボ空洞長にかかわらず常に高次スーパーモード動作を示す。

背景

1994年に発明された量子カスケードレーザー（QCL）は、波長柔軟性と携帯性により中・遠赤外の最重要光源の一つとなっている[1,2,3]。フリースペース光通信、指向性赤外妨害（DIRCM）、爆発物・毒物・汚染物質の微量化学検知、医療検査など用途は多岐にわたる[4,5,6,7]。一部用途ではより高い出力光パワーが妨害効果と検知精度向上のために要求される。活性領域幅を広げることで高出力QCLが得られるが、波導設計や外部光学なしに単純にリッジを広げると、複数ローブ遠方場パターン放出によりビーム品質が劣化する[8]。単一ローブ放出はこれまで、フォトニック結晶分布帰還（PCDFB）QCL、傾斜空洞QCL、マスターオシレータパワーアンプ（MOPA）QCL、外部帰還機構による広域QCLなどで実現されてきた[9,10,11,12]。最近では、位相同期アレイが広域QCLをコヒーレント狭ビームパターンで発光させる一般的アプローチとなっている。

位相同期アレイは1980年代以来、広域・低発散半導体レーザーに巧みに適用されてきた[13]。先行研究では、Y分岐アレイ、共鳴漏洩波結合アレイ、エバネッセント波結合アレイで位相同期QCLアレイが研究されてきたが、近赤外レーザーと同様である[14,15,16,17,18]。これらの構造は波導に大きな損失をもたらす[15]か、結合を得るために短い隣接距離を追求することで熱蓄積を招く[16,17,18]。最近、タルボ効果に基づく側面空洞を統合した回折結合QCLアレイが報告された[19]。回折結合構造では、タルボ空洞内でリッジ端の回折と空洞ファセットの反射により結合が生じる。回折結合位相同期QCLアレイ素子は広い間隔で配置可能で、熱蓄積を低減できる。

タルボ効果は、周期構造が一定間隔でセルフイメージを生成するよく知られた光学現象である[20]。この効果は近赤外でレーザー位相同期に利用され、回折結合スキーム位相同期アレイと呼ばれる[21,22,23]。この方法では、レーザーアレイの空洞ファセット前に平面鏡を配置して光学帰還を提供する。鏡とアレイファセット間の距離をタルボ距離と呼び、以下で定義される：

$$ {Z}_t=\frac{2n{d}^2}{\lambda } $$

ここでnは物質屈折率、dはアレイの中心間距離、λは自由空間波長。Z_t/4位置で空洞チャネルに反射されるスーパーモードは自己再生的発振を得る。図1は分数タルボ面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す。Z_t/4位置のスーパーモードがアレイチャネルに反射されると、基本スーパーモードの重ね合わせと動作が抽出される。

タルボ空洞位相同期QCLアレイの出力電力は、タルボ空洞とアレイチャネル間の低結合効率により制限される。出力をさらに増やすには、充填因子（リッジ幅/周期比）を増やす必要がある。しかし、チャネル幅を広げるとアレイ素子の高次モード放出が生じ、中心間距離を縮めると熱蓄積が増大する。テーパー構造は、単一リッジ自体の基本モード動作を保証しながら充填因子を増やす最良の方法の一つである。本書簡ではテーパー構造を活用し、タルボ空洞をテーパー構造の各側にそれぞれ統合した。直線端をタルボ空洞に接続したデバイスは基本スーパーモード動作を示し、近回折限界（D.L.）遠方場発散2.7°を達成。対照的に、テーパー端をタルボ空洞に接続したデバイスはタルボ空洞長に関わらず常に高次スーパーモード動作を示す。直線端接続デバイスで、閾値電流密度3.7 kA/cm²、傾斜効率0.6 W/A、298 Kで最大ピーク出力1.3 Wを得た。

手法

QCLウェーハは、n型ドープ（Si、2×10¹⁷ cm⁻³）InP基板上に固体光源分子線エピタキシー（MBE）で成長。活性領域（AR）は35周期の歪み補償In_0.67Ga_0.33As/In_0.37Al_0.63As量子井戸と障壁で構成。製造前のウェーハ全体構造は、4μm下部InPクラッド層（Si、3×10¹⁶ cm⁻³）、0.3μm n-In_0.53Ga_0.47As層（Si、4×10¹⁶ cm⁻³）、35活性/注入段、0.3μm n-In_0.53Ga_0.47As層（Si、4×10¹⁶ cm⁻³）、2.6μm InP上部クラッド層（Si、3×10¹⁶ cm⁻³）、0.15μm InP漸変ドープ層（1×10¹⁷から3×10¹⁷ cm⁻³へ変化）、0.4μm高ドープInPクラッド層（Si、5×10¹⁸ cm⁻³）。

MBEエピタキシー後、ウェットケミカルエッチングでデバイスをエッチングし、プラズマCVD（PECVD）で450nm SiO₂を堆積。電気注入ウィンドウを開口後、トップメタルコンタクトを形成。タルボ空洞とテーパーアレイの2セクションはAuトップコンタクトで電気的に接続。その後ウェーハ基板を薄くし、ボトムコンタクトメタルを蒸着。ウェーハをダイシングソーで約2mm長にクレーブし、タルボ空洞長を精密制御。最終的にデバイスをインジウム半田で銅ヒートシンク上にエピ層側を下にして半田付け。タルボ空洞セクションも電気注入されるため、その広い寸法で熱が蓄積するが、将来的には電気絶縁で回避すべきである。タルボ空洞セクションはウェーハボンディングとアライメントなどの複雑な製造で他の波導材料に置き換え可能であり、位相同期動作は依然として達成可能かもしれない。図1のタルボ空洞スーパーモード分布によれば、本書簡のタルボ空洞長はZ_t/8と決定され、約104μmとなる。図2にデバイスの概略と顕微鏡写真を示す。アレイは5つのテーパー素子とタルボ空洞を含む。テーパー素子は1mm長のテーパー端と約0.9mm長の直線端で構成され、幅は10から16μmへ変化。アレイ隣接素子の中心間間隔は25μm、各レーザーデバイス長は約2mm。タルボ空洞長はすべて約104μm。

結果と考察

結合モード理論によれば、位相同期アレイのスーパーモード数は素子数と等しい[24]。例えば5素子位相同期アレイなら5スーパーモードを持つ。隣接結合のみを仮定すると、結合行列で各次数スーパーモードの近接場分布パターンが得られる[24]。近接場強度のアレイ横方向寸法関数は以下で示される[25]：

$$ {E}_j\propto \sum \limits_{m=1}^M\sin \left(\frac{mj}{M+1}\pi \right)\exp \left[-\frac{{\left(x-{x}_m\right)}^2}{\omega^2}\right] $$

ここでjはスーパーモード次数、Mはアレイ素子数、ωは各素子のガウスビームウェスト、x_mは各素子の中心位置。各次数スーパーモードのシミュレーション結果を図3aに示す。対応する遠方場パターンは近接場分布からフーリエ変換で導出可能（図3b）。

タルボ空洞位相同期アレイの遠方場パターンは、アレイ波導ファセットから室温水銀カドミウムテルル（MCT）検出器を用いたロックイン技術で測定。QCLアレイを回転ステージに搭載し、MCT検出器から約25cm離して配置、自作ソフトウェアで制御してデータ収集。測定された遠方場パターンを図3c,dに示し、それぞれ直線端接続タルボ空洞デバイスとテーパー端接続タルボ空洞デバイスに対応。図3cの遠方場分布は0°に強い中心ローブを示し、結合モード理論によれば基本スーパーモード動作の存在を示す。半値全幅（FWHM）は約2.7°で、D.L.公式：sinθ=1.22λ/d（θはD.L.角、λは波長、dはアレイ光出力幅）によれば回折限界（D.L.）発散角を示す。光出力幅16μmのテーパー単一エミッターではD.L. FWHM発散は約21°。サイドローブは約12°に出現し、単一エミッター遠方場エンベロープのFWHM位置に非常に近い。中心ローブとサイドローブの強度は単一エミッター遠方場パターン分布に対応し、サイドローブは中心ローブの半分の強度を持つ。さらに、リッジ幅を広げてアレイ素子の発散を減らせば単一ローブ遠方場プロファイルアレイが得られる。より広いリッジ幅はテーパーを広げることで達成可能。図3dの遠方場パターンは中心0°位置にローブがなく、主に二重ローブで、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動作を示す。基本スーパーモード動作を得るため、タルボ空洞長を90から110μmまで1μmステップで変えてデバイスを作製したが、テーパー端接続タルボ空洞デバイスではタルボ空洞長に関わらず基本スーパーモード動作を得られなかった。

2タイプアレイの遠方場結果は[19,21]の理論モデルで説明可能。タルボ空洞は異なるスーパーモードに異なる等価反射率を持つ反射鏡と近似できる；高い等価反射率は高い利得効率と低い閾値利得を意味する。等価反射率の計算・シミュレーションは[19]と類似。図4にタルボ空洞長関数としての各次数スーパーモード等価反射率シミュレーション結果を示す。位相同期アレイではN=2,4次スーパーモードが常にN=1,3,5次より大きな波導損失を持つため、ここでは無視。直線端接続タルボ空洞アレイでは、Z_t/8付近で基本スーパーモードが最高等価反射率を持ち、高次スーパーモードと大きな識別度を持つ。テーパー端接続タルボ空洞では、基本と高次スーパーモード間の識別度が相対的に小さい。この場合、テーパー端接続デバイスでは弱いモード識別度のためレーザーは3次スーパーモードで動作しやすい。

放出光パワーは校正済みサーモパイル検出器でレーザー波導ファセット直前に配置して測定。スペクトル測定は0.25 cm⁻¹分解能のフーリエ変換赤外（FTIR）分光計で高速スキャンモードで実施。図5aはパルスモードでの電力-電流（P-I）特性を示し、電流ドライバーは2kHz、デューティサイクル0.2%で維持。直線端接続タルボ空洞QCLアレイでは、298Kで総ピーク出力1.3W、閾値電流密度3.7 kA/cm²、傾斜効率0.6 W/Aを得た（青線）。対照的にテーパー端アレイでは1.6W出力、閾値電流密度3.4 kA/cm²、傾斜効率0.65 W/A（紫線）。比較として、2mm長×10μm幅リッジの単一レーザーデバイスは最大ピーク出力0.41W、閾値電流密度3 kA/cm²、傾斜効率1 W/A。基本動作アレイの出力電力は単一エミッターの3倍。テスト結果を簡潔に表1にまとめる。各素子平均出力電力は単一エミッターの約63%で、[19]より高い。[26]はタルボフィルター内蔵位相同期QCLアレイで個々素子平均出力が単一エミッターの43%と報告。ウェットエッチング法による2つの円形接合の追加光学損失で効率は1接合デバイスより低い。[27]はタルボ空洞統合6素子デバイスで単一エミッターの5倍出力、結合効率約83%と報告。我々のデバイスで効率が低いのはタルボ空洞でのより強いエッジ回折損失とウェットエッチング製造法が主因と考えられる。今後はドライエッチング法採用とテーパーゾーン長延長で更なる出力スケーリングを目指す。図5aインセットは室温、1.3I_thでの位相同期アレイ発光スペクトル。中心波長は4.8μmで、縦モード選択機構がないためマルチモード性質。単一モードスペクトルはトップクラッド層に分布帰還（DFB）グレーティング導入で達成可能。広域QCLとQCLアレイの熱特性を有限要素ソフトCOMSOLでシミュレーション。固定リッジ幅10μm、アレイ素子間隔0から20μmまで5μmステップで変化。図5bにアレイ素子間隔関数としてのAR温度変化を示す。広域リッジデバイスのAR温度はタルボ空洞デバイスより約20K高い。

結論

結論として、テーパードQCLアレイを直線端とテーパー端それぞれでタルボ空洞と統合したことを実証。直線端にタルボ空洞を統合したデバイスは、4.8μm発光波長でD.L.発散2.7°の基本モード遠方場パターンを示す。直線端アレイで出力電力1.3W、傾斜効率0.6 W/Aを取得。タルボ空洞位相同期アレイは非常に近い結合距離を必要としないため、エバネッセント波結合アレイより熱蓄積が低い。このようなデバイスはD.L.発散を持つ高輝度QCLアレイの高デューティサイクル動作への潜在性を持つ。今後の作業は、適切なアレイ素子リッジ幅と間隔の選択、埋め込みリッジ波導の使用、マイクロインピンジメントクーラーによる熱管理[28]に焦点を当てるべき。さらに、ARのカスケード段数削減が高輝度QCLの高デューティサイクル動作に大きく貢献する[29]。

略語

AR:

活性領域

CW:

連続波

D.L.:

回折限界

DFB:

分布帰還

FWHM:

半値全幅

I_th:

閾値電流

MBE:

分子線エピタキシー

MCT:

水銀カドミウムテルル

MOVPE:

金属有機気相成長

PECVD:

プラズマCVD

P-I:

電力-電流

QCL:

量子カスケードレーザー

WPE:

壁面プラグ効率