埋め込みサンプリンググレーティング量子カスケードレーザーにおける高出力・低閾値・安定単一モード動作

概要

λ ~ 4.87 µmで発光する埋め込みサンプリンググレーティングを組み込んだ高出力、低閾値、安定単一モード動作埋め込み分布帰還（DFB）量子カスケードレーザー（QCL）を実証。サンプリンググレーティングの最適化された光学場分布の恩恵を受け、20℃において6 mmおよび4 mmキャビティ長でそれぞれ948 mWおよび649 mWの高連続波（CW）出力電力を得た。二つの端面のクレーブ位置を精密に制御することで、デバイスの単一モード歩留まりが明確に向上。その結果、異なるヒートシンク温度や高注入電流下でもモードホッピングなしで安定単一モード発光と線形モードチューニングが得られた。

導入

量子カスケードレーザー（QCL）は最も有望な中赤外光源の一つとなり、その幅広い波長カバレッジ、コンパクトなサイズ、高出力などの特徴により、リモートセンシング、高分解能分光、産業プロセス監視などの応用で大きな注目を集めている[1,2,3,4]。これらの応用では、単一モード発光と高出力が通常求められ、分布帰還（DFB）QCLで達成可能。埋め込みグレーティングアプローチは、表面グレーティングと比較してより小さな導波路損失、より低い閾値電流密度、より高い単一モード歩留まりのため広く採用されてきた[5, 6]。これまでに、埋め込みグレーティングアプローチに基づき、DFB QCLの単一モード安定性と出力電力の性能向上において一連の重要なブレークスルーが達成されてきた[7, 8]が、埋め込みグレーティングの過結合フィードバックメカニズムが出力電力の更なる向上を妨げている。4.6-5 µm付近で発光する埋め込み均一グレーティングDFB QCLの典型的なCW出力電力は室温で300 mW未満[5, 9]。理論的には、グレーティング深さとデューティサイクルを最適化することで埋め込みグレーティングの結合係数を改善できる。しかし、分布帰還性能レベルは、活性領域近くの半導体層でのグレーティングエッチングプロファイルに非常に敏感。エッチング深さとデューティサイクルの微小な変動がグレーティング結合係数に強く影響する[10, 11]。さらに、低コスト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基づいてグレーティング深さとデューティサイクルを精密に制御して結合を改善することは困難。一般に、従来のDFB QCLはブラッグ周波数からわずかにシフトした2つの周波数で発振し、エンド面のランダム位相によって影響される光学損失に依存してレーザー発振する[12,13,14]。

本研究では、小さなサンプリングデューティサイクルを持つ埋め込みサンプリンググレーティングを用いて結合係数を最適化し、光学場分布を改善することを提案。この方法の顕著な利点は、望ましいグレーティング結合強度を維持しながら、十分な光学利得のためにデバイスのキャビティ長を増やせること。単一モード歩留まりと究極の性能を向上させるため、二つの端面のクレーブ位置を精密に制御してエンド面ランダム位相の影響を回避。一方で、このアプローチは小さな導波路損失による低閾値電流密度という利点を保持し、埋め込みヘテロ構造プロセスと互換性がある。さらに、サンプリンググレーティングは従来のホログラフィック露光と光リソグラフィの組み合わせのみで作製可能であり、柔軟性、再現性、コスト効率が向上。その結果、λ ∼ 4.87 µmで発光する低閾値・高出力単一モードDFB QCLが埋め込みサンプリンググレーティング構造で同時に達成された。これらのDFB-QCLの閾値電流密度は1.05 kA/cm²まで低く、6 mmキャビティ長デバイスで20℃において片面から948 mWのCW出力電力を得た。

手法

均一グレーティングDFB QCLの図を図1aに示す；I、II、III、IVのマークは4種類の可能なクレーブ端面位置を表す。ご存知の通り、ナノスケール均一グレーティングのクレーブ端面位置を精密に制御することは困難。結果として、クレーブ端面位置がランダムであるため、デバイスごとに発光モードが異なる。ここでは、MATLABによる伝達行列法に基づき、I、II、III、IVの4種類の可能なクレーブ端面位置の2つの側モードの損失差とモード損失スペクトルをシミュレーション・計算。I、II、III、IVの4種類のクレーブ端面位置の2側モード損失差の絶対値を図1bに示す；横軸はI、II、III、IVの相対位置で表現（もう一方の端面がグレーティングピークから始まり位相ゼロに対応すると仮定すると、I、II、III、IVに対応する位相は0、π/2、π、3π/2）。図1c、d、e、fは4種類のクレーブ端面位置のモード損失スペクトルを詳細に示す。見てわかるように、発光モードと損失差はエンド面ランダム位相の影響でデバイスごとに異なる。図2aは、同じ伝達行列法でシミュレートされたI、II、III、IVの4種類のクレーブ端面位置の可能な正規化光学場分布。図2bとcは二つの端面付近の光学場分布の拡大図。見てわかるように、両端面の強度は完全には対称でない。これは両端面の非対称位置によるもの。ここでは結合強度κ×L = 17の状況を示す（過結合）。デバイス中央の光強度ピークが両端に向かって急速に減衰し、深刻な空間ホールバーニングを引き起こし、結果として安定単一モード動作の維持が困難になる可能性がある[15]。

a 均一グレーティング構造の図；I、II、III、IVは4種類の可能なクレーブ端面位置を表す。b I、II、III、IVの異なるクレーブ端面位置での2側モード損失差の絶対値、横軸はI、II、III、IVのクレーブ端面位置に対応する位相で表現。c–f I、II、III、IVの4種類の可能なクレーブ端面位置のモード損失スペクトル。

a 均一グレーティング構造の4種類のクレーブ端面位置I、II、III、IVに対応する光学場分布。b、c 両端面付近の光学場分布の拡大図。

ここでは、サンプリング周期P = 15 µm、ブロック長u = 5 µm（サンプリングデューティサイクルσ = u/P = 1/3に対応）に基づき、サンプリンググレーティング構造を採用して光学強度分布を改善する。これは図3aに示す。図3aの垂直点線はクレーブ端面位置を表し、ブロック領域から逸脱してエンド面ランダム位相の導入を回避。対応する実効結合係数κ_effは、均一グレーティングの結合係数κとサンプリンググレーティングのデューティサイクルσの積で簡単に与えられる、すなわちκ_eff = κ × σ [16]。したがって、サンプリンググレーティングの結合係数はサンプリンググレーティングのデューティサイクルによって任意に調整可能であり、サンプリンググレーティングの結合強度最適化に有利。結果として出力電力が改善される。図3bは伝達行列法に基づくサンプリンググレーティングの計算透過スペクトルとパルス条件下での測定電気発光（EL）スペクトルを示す。λ₋₁とλ₊₁はサンプリンググレーティングによって導入される追加のスーパーモード。スーパーモードの隣接スペクトル距離はΔλ = λ_B²/(2n_effP)で計算可能。ここでn_effは導波路の実効指数、λ_Bは基本均一グレーティングのブラッグ波長[17]。スーパーモードの存在は単一モード安定性に影響する可能性があるが、スーパーモードのスペクトル距離の式に従い、小さなサンプリング周期Pを選択することでゲイン曲線中心から遠ざけて設計可能。本研究では、基本ブラッググレーティング周期Λ、サンプリング周期P、導波路実効指数n_eff、デューティサイクルσはそれぞれ0.758 µm、15 µm、3.21、1/3であり、スーパーモードの隣接スペクトル距離は約246 nm。図3bに示すように、ブラッグ波長（0次）はゲイン曲線ピーク付近に設計され、+1次と−1次波長はゲイン曲線中心からそれぞれ246 nm離れている。最終的に、本研究では0次モードでの安定単一モードレーザー発振が達成可能。図4aは異なる注入電流でのサンプリンググレーティングのシミュレート光学場分布を示す。見てわかるように、サンプリンググレーティング構造では両端面での光学場強度分布が劇的に改善され、出力電力の大幅な改善に対応。図4bは一方の端面付近の光学場分布拡大図、図4cは注入電流に伴う端面での光学場相対強度分布の詳細変動を示す。図4bに示すように、光学場分布プロファイルは滑らかではなく変動的。この変動は、各サンプリング周期でのブロック領域と非グレーティング領域間の「界面反射」によって引き起こされ、「局在化」されたエネルギー密度集中をキャビティに沿って誘起。さらに、図4cに示すように、端面での相対強度分布変動は注入電流に対して非線形であり、デバイスの電力-電流曲線の非線形性を引き起こす可能性がある。

a サンプリンググレーティング構造の図、垂直点線はクレーブ端面位置、Pはサンプリング周期、uは1サンプリング周期内のグレーティング領域長。b 青線は設計サンプリンググレーティングの計算透過スペクトル、赤線は作製ウェハの測定電気発光スペクトル。

a 異なる注入電流でのサンプリンググレーティングのシミュレート光学場分布。b 一方の端面付近の光学場分布拡大図。c 注入電流に伴う端面での光学場相対強度の詳細変動。

QCL構造は、固体分子線エピタキシー（MBE）によりn-InP（Si、2×10¹⁷ cm⁻³）基板上に成長。活性コアは、光子生成のための電子遷移チャネルを提供する40段の歪み補償In_0.67Ga_0.33As/In_0.37Al_0.63As量子井戸とバリアで構成され、上下のInGaAsコンフィメント層で挟まれる。グレーティングは、二重ビームホログラフィックリソグラフィ技術と従来の光リソグラフィの組み合わせで上部InGaAsコンフィメント層上に定義。その後、上部導波路層を金属有機気相成長法（MOVPE）で成長。その後、ウェハを平均コア幅約10 µmのダブルチャネルリッジ導波路レーザーに加工し、半絶縁InP:Feで充填して効率的な熱除去を実現。その後、プラズマ強化化学気相成長法（PECVD）で450 nm厚のSiO₂層を堆積し絶縁し、電子ビーム蒸着でTi/Au層を堆積して電気接点を形成。さらに熱放散改善のため5 µm厚の金層を電気メッキ。約140 µmまで薄膜化後、基板側にGe/Au/Ni/Au金属接点層を堆積。その後、導波路を4 mmおよび6 mm長のバーにクレーブし、高反射率（HR）コーティング（Al₂O₃/Ti/Au/Al₂O₃、200/10/100/120 nm）を電子ビーム蒸着で片面に堆積し、もう片面を無コーティングのままとしてエッジ発光パワー測定用とする。最後に、レーザーをエピ層側を下にしてインジウム半田でダイヤモンドヒートシンクに実装し、さらに銅ヒートシンクに半田付けして効率的な熱放散を実現。

結果と考察

デバイススペクトルは分解能0.25 cm⁻¹のフーリエ変換赤外分光計で測定。レーザーをサーミスタとペルチェクーラーを備えたホルダーに実装し、サブマウント温度を監視・調整。放射光学パワーは、レーザー端面前方に配置した較正済み熱電対検出器で測定（補正なし）。

図5と6は、それぞれ4 mmおよび6 mmキャビティ長サンプリンググレーティングDFB QCLの発光スペクトルと光-電流-電圧（L-I-V）特性を示す。見てわかるように、スペクトルはすべてのテストプロセスで注入電流や温度に対して線形に変化。CWモードでは、デバイスの最大光学パワーは20℃において、4 mmキャビティ長で1.2 Aで649 mW、6 mmキャビティ長で1.4 Aで948 mW。さらに、デバイスの低CW閾値電流密度は、20℃において4 mmキャビティ長で1.59 kA/cm²、6 mmキャビティ長で1.05 kA/cm²を達成し、埋め込みグレーティングの小さな導波路損失と低閾値電流密度の利点を完全に反映。発光スペクトルから観察されるように、発光モードは温度や注入電流の変化に対して線形であり、注入電流や温度の変化過程でモードホッピングが発生しないことを示す。しかし、電力-電流曲線は非線形であり、これは以前分析したサンプリンググレーティング構造の光学場分布変動と注入電流に伴う端面光学場強度の非均一変化によるもの。

a 4 mmキャビティ長サンプリンググレーティングDFB QCLの、異なるヒートシンク温度15-70℃での約1.1×I_th電流での単一モードCW発光スペクトル。インセットは20℃での0.63から1.08 Aまで0.05 Aステップでの異なる注入電流でのCW発光スペクトル。b 4 mmキャビティ長サンプリンググレーティングDFB QCLの異なる温度でのCW光-電流-電圧（L-I-V）特性。

a 6 mmキャビティ長サンプリンググレーティングDFB QCLの、異なるヒートシンク温度15-70℃での約1.1×I_th電流での単一モードCW発光スペクトル。インセットは20℃での0.63から1.38 Aまで0.05 Aステップでの異なる注入電流でのCW発光スペクトル。b 6 mmキャビティ長サンプリンググレーティングDFB QCLの異なる温度でのCW光-電流-電圧（L-I-V）特性。

図7は室温で約1.25×I_thでのパルス動作時のデバイス遠方場プロファイルを示す。図7aはリッジ幅方向の遠方場プロファイル、図7bはエピタキシャル成長方向の遠方場プロファイルを示す。実験的研究により、埋め込みグレーティング構造では表面金属グレーティング構造よりも基本横モードがレーザーモードになりやすいことが実証されている。これは表面金属グレーティング構造では基本横モードとトップ金属接点の結合により基本横モードの損失が増加するため[6]。それによると、リッジ幅方向で半値全幅（FWHM）28.2°の基本横モード単一ローブ遠方場プロファイルが実験で得られた。したがって、埋め込みグレーティング構造のもう一つの明確な利点は、レーザーモードが一般的に単一ローブ遠方場プロファイルを持つ基本横モードであり、コリメーションに有利であること。また、エピタキシャル成長方向では、放射開口が波長と同程度のオーダーであるため、大きなFWHM 50.1°が得られる。

a リッジ幅方向の遠方場プロファイル。b エピタキシャル成長方向の遠方場プロファイル。

結論

結論として、低閾値、高出力、安定単一モード発光サンプリンググレーティングDFB QCLを達成した。最大CW出力電力と閾値電流密度は、6 mm（4 mm）キャビティでそれぞれ0.948 W（0.649 W）と1.05 kA/cm²（1.59 kA/cm²）。小さなサンプリングデューティサイクル導入による結合強度低減で、光学場分布の大幅な改善を実現。単一ローブ遠方場プロファイルも観察。したがって、埋め込み分布帰還量子カスケードレーザーにおいてサンプリンググレーティングを組み込むことは、高出力、低閾値、安定単一モード発光、高単一モード歩留まりを持つデバイスを達成するシンプルで効果的な方法である。

略語

CW:

連続波

DFB:

分布帰還

EL:

電気発光

FWHM:

半値全幅

HR:

高反射率

L-I-V:

光-電流-電圧

MBE:

分子線エピタキシー

MOVPE:

金属有機気相成長法

PECVD:

プラズマ強化化学気相成長法

QCL:

量子カスケードレーザー