埋め込みサンプル格子を使用した量子カスケードレーザーにおける高出力で安定したシングルモードのデモンストレーション

はじめに

量子カスケードレーザー（QCL）は、最も有望な中赤外光源の1つであることが判明し、そのハイライト機能により、最初のデモンストレーション後、リモートセンシング、高分解能分光法、および産業プロセス監視のアプリケーションで大きな注目を集めました。広い波長範囲、コンパクトなサイズ、高出力パワーなど[1,2,3,4]。これらのアプリケーションに関しては、通常、シングルモードエミッションと高出力電力が望まれます。これは、分散フィードバック（DFB）QCLによって実現できます。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、導波路損失が小さく、しきい値電流密度が低く、シングルモード歩留まりが高いために広く採用されています[5、6]。これまで、シングルモード安定性と出力パワーのDFB QCLの性能を改善するために、埋め込みグレーティングアプローチに基づく一連の重要なブレークスルーが行われました[7、8]が、埋め込みグレーティングの過剰結合フィードバックメカニズムは妨げになりますさらに強化することによる出力電力。約4.6–5μmを放出する埋め込み均一グレーティングDFB QCLの連続波（CW）出力電力の典型的な値は、室温で300 mW未満です[5、9]。理論的には、埋め込みグレーティングの結合係数は、グレーティングの深さとデューティサイクルを最適化することで改善できます。ただし、分散フィードバック性能レベルは、アクティブ領域に近い半導体層のグレーティングのエッチングのプロファイルに非常に敏感です。エッチング深さとデューティサイクルのわずかな変化は、グレーティング結合係数に強く影響します[10、11]。さらに、低コストのホログラフィックリソグラフィ技術と湿式化学エッチングに基づいて格子の深さとデューティサイクルを正確に制御することによって格子結合を改善することも困難です。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ます。これは、ファセットランダム位相の影響を受ける光損失に応じて発振する可能性があります[12、13、14]。

この作業では、結合係数を最適化し、光場分布を改善するために、サンプリングデューティサイクルが小さい埋め込みサンプル回折格子の使用を提案します。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、十分な光利得を得るためにデバイスのキャビティ長を長くできることです。シングルモードの歩留まりと究極のパフォーマンスを向上させるために、2つのエンドファセットの劈開位置を正確に制御して、エンドファセットのランダム位相の影響を回避します。一方では、このアプローチは、低いしきい値電流密度に対して小さな導波路損失の利点を保持し、埋め込みヘテロ構造処理と互換性があります。さらに、サンプリングされたグレーティングは、従来のホログラフィック露光と光学フォトリソグラフィーを組み合わせてのみ製造されるため、柔軟性、再現性、費用対効果が向上します。その結果、λで発光する低しきい値および高出力電力のシングルモードDFBQCL 〜4.87μmは、埋め込みサンプル格子構造で同時に達成されます。これらのDFB-QCLのしきい値電流密度は、1.05 kA / cm ² と低くなっています。 単一ファセットは、20°Cで6mmのキャビティ長を持つデバイスに対して948mWのCW出力電力を生成しました。

メソッド

均一格子DFBQCLの図を図1aに示します。 I、II、III、およびIVのマークは、可能な4種類の劈開されたエンドファセット位置を表します。ご存知のように、ナノスケールの均一格子の劈開面の位置を正確に制御することは困難です。結果として、放出モードはデバイスごとに異なり、劈開されたファセットの位置はランダムです。ここでは、MATLABによる転送行列法に基づいて、I、II、III、およびIVの可能な4種類の劈開端ファセット位置の2つのサイドモードの損失差とモード損失のスペクトルをシミュレートして計算します。 I、II、III、およびIVの4種類の劈開端ファセット位置の2つのサイドモードの損失差の絶対値を図1bに示します。横軸は、I、II、III、およびIVの相対位置として表されます（別のファセットが格子ピークのみで始まり、ゼロの位相に対応し、次にI、II、III、およびIVの対応する位相に対応すると仮定します） 0、π/ 2、π、および3π/ 2）です。図1c、d、e、およびfは、4種類の劈開された端面位置のモード損失のスペクトルを詳細に示しています。これまで見てきたように、レイジングモードと損失の差は、ファセットランダム位相の影響を受けるデバイスごとに異なります。図2aは、同じ転送マトリックス法によってシミュレートされた、I、II、III、およびIVの可能な4種類の劈開端ファセット位置の対応する正規化された光場分布を示しています。図2bおよびcは、2つの端面付近の光場分布の増幅です。これまで見てきたように、両端のファセットの強度は完全に対称ではありません。これは、両端のファセットの位置が非対称であることが原因です。ここでは、結合強度κの状況を示します。 × L =17、これは過剰結合です。デバイスの中央にある光強度のピークは両端に向かって急速に減衰し、それが深刻な空間ホールバーニングにつながる可能性があり、その結果、安定したシングルモード動作を維持することが困難になる可能性があります[15]。

a 均一な格子構造の図。 I、II、III、およびIVの表記は、可能な4種類の劈開端ファセット位置を表します。 b I、II、III、およびIVの異なる劈開端ファセット位置のモード損失差の絶対値、および横軸は、I、II、III、およびIVの劈開ファセット位置の対応する位相として表されます。 c – f それぞれI、II、III、およびIVの可能な4種類の劈開端ファセット位置のモード損失のスペクトル

a I、II、III、およびIVの4種類の劈開端ファセット位置に対する均一格子構造の対応する光場分布。 b 、 c 2つの端面付近の光場分布の増幅

ここでは、 P のサンプリング周期に基づいて光強度の分布を改善するために、サンプリング格子構造を測定します。 =15μmおよびブロック長 u =σのサンプリングデューティサイクルに対応する5μm = u / P =1/3、これは図3aに示されています。図３ａの垂直の点線は、切断されたファセットの位置を表しており、これは、エンドファセットのランダム位相の導入を回避するためにブロック領域から逸脱している。対応する実効結合係数κ _eff 結合係数κの積で簡単に与えることができます 均一な格子とデューティサイクルの積σ サンプリング格子の、つまり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、サンプリングされた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できます。これは、サンプリンググレーティングの結合強度を最適化するためです。その結果、出力電力が向上する可能性があります。図3bは、転送行列法に基づいて計算されたサンプリング格子の透過スペクトルと、パルス条件下で測定されたエレクトロルミネッセンス（EL）スペクトルを示しています。 λ _-1 およびλ ₊₁ サンプリングされたグレーティングによって導入された追加のスーパーモードです。スーパーモードの隣接スペクトル距離は、Δλで計算できます。 =λ _B ² /（2 n _eff P ）ここで n _eff は導波路の実効屈折率であり、λ _B は基本的な均一格子のブラッグ波長です[17]。スーパーモードの存在はシングルモードの安定性に影響を与える可能性がありますが、小さなサンプリング周期を選択することで、ゲイン曲線の中心から遠く離れた場所にスーパーモードを設計できます P スーパーモードのスペクトル距離の式によると。私たちの研究では、基本的なブラッググレーティング周期Λ 、サンプリング期間 P 、導波管の実効屈折率 n _eff 、およびデューティサイクルσ はそれぞれ0.758μm、15μm、3.21、1 / 3であるため、スーパーモードの隣接スペクトル距離は約246nmです。図3bに示すように、ブラッグ波長（0次）はゲイン曲線のピークを中心に設計されていますが、+ 1次波長と-1次波長はゲイン曲線の中心から別々に246nm離れています。最後に、我々の研究における0次モードでの安定したシングルモードレイジングを達成することができます。図4aは、さまざまな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された光場分布を示しています。見てわかるように、2つの端面でのサンプリング格子構造の光場強度分布が劇的に改善されました。これは、出力パワーの大幅な改善に対応します。図4bは、端面の1つ付近の光場分布の増幅であり、図4cは、注入電流による端面での光場強度の詳細な変化を示しています。図4bに示すように、光場分布のプロファイルは滑らかではなく変動します。変動は、各サンプリング期間におけるブロック領域と非格子領域の間の「界面反射」によって引き起こされ、キャビティに沿って「局所化された」エネルギー密度集中を引き起こします。さらに、図4cに示すように、端面の相対強度分布の変化は注入電流に対して非線形であり、デバイスの電力-電流曲線に非線形性を引き起こす可能性があります。

a サンプリング格子構造の図である垂直の点線は、劈開されたファセット位置 P を表しています。 はサンプリング期間であり、 u は、1つのサンプリング周期におけるグレーティング領域の長さです。 b 青い線は、設計されたサンプル回折格子の計算された透過スペクトルであり、赤い線は、製造されたウェーハの測定されたエレクトロルミネッセンススペクトルです

a 異なる注入電流でのサンプリング格子のシミュレートされた光場分布。 b 端面の1つ付近の光場分布の増幅。 c 注入電流による端面での光場相対強度の詳細な変化

QCL構造はn-InP（Si、2×10 ¹⁷ cm ^-3 ）固体分子線エピタキシー（MBE）による基板。アクティブコアは、40段階のひずみ補償されたIn _0.67 で構成されていました。 Ga _0.33 As / In _0.37 Al _0.63 量子井戸および障壁として、上部および下部のInGaAs閉じ込め層に囲まれた光子を生成するための電子遷移チャネルを提供します。回折格子は、従来の光リソグラフィーと組み合わせたダブルビームホログラフィックリソグラフィー技術を使用して、上部のInGaAs閉じ込め層に定義されました。次に、上部導波路層を有機金属気相エピタキシー（MOVPE）によって成長させました。その後、ウェーハは、効率的な熱除去のために半絶縁性InP：Feで満たされた平均コア幅が約10μmのダブルチャネルリッジ導波路レーザーに加工されました。厚さ450nmのSiO ₂ 次に、絶縁のためにプラズマ化学気相成長法（PECVD）によって層を堆積させ、電子ビーム蒸着によって堆積させたTi / Au層によって電気的接触を提供しました。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140μmまで薄くした後、基板側にGe / Au / Ni / Au金属接触層を堆積させた。次に、導波路は長さ4mmと6mmのバーに劈開され、Al ₂ で構成される高反射率（HR）コーティングが施されました。 O ₃ / Ti / Au / Al ₂ O ₃ （200/10/100/120 nm）は、電子ビーム蒸着によってファセットの1つに堆積され、エッジング放出パワーの測定用にコーティングされていないファセットが残されました。最後に、レーザーはエピ層を下にしてインジウムはんだを使用してダイヤモンドヒートシンクに取り付け、その後、効果的な熱放散のために銅ヒートシンクにはんだ付けしました。

結果と考察

デバイスのスペクトルは、0.25 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。 。次に、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レーザーを取り付けました。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5と図6は、それぞれ4mmと6mmのキャビティ長のサンプルグレーティングDFBQCLを備えたデバイスの発光スペクトルと光​​-電流-電圧（L-I-V）特性を示しています。これまで見てきたように、スペクトルはすべてのテストプロセスで注入電流または温度に比例して変化します。 CWモードでは、デバイスの最大光パワーは、1.2Aと1.4Aで4mmと6mmのキャビティ長に対して、20°Cでそれぞれ649mWと948mWです。さらに、デバイスのCWしきい値電流密度が1.59 kA / cm ² と低い および1.05kA / cm ² 20°Cで4mmおよび6mmのキャビティ長が達成されます。これは、埋め込みグレーティングの小さな導波路損失と低いしきい値電流密度の利点を完全に反映しています。レイジングスペクトルから観察したように、レイジングモードは温度または注入電流の変化に対して線形であり、これは、注入電流または温度の変化の過程でモードホッピングが発生しないことを示しています。ただし、電力-電流曲線は線形ではありません。これは、サンプリング格子構造の光場分布の変動と、以前に分析された注入電流による端面の光場強度の不均一な変化が原因です。

a 約1.1× I の電流でのキャビティ長4mmのサンプリングされたグレーティングDFBQCLのシングルモードCW発光スペクトル _th 15〜70°Cのさまざまなヒートシンク温度に対して。挿入図は、20°Cで0.05 Aのステップで、0.63〜1.08Aのさまざまな注入電流でのCW発光スペクトルを示しています。 b さまざまな温度でのキャビティ長4mmのサンプリングされたグレーティングDFBQCLのCW光-電流-電圧（L-I-V）特性

a 1.1× I 付近の電流でのキャビティ長6mmのサンプリングされたグレーティングDFBQCLのシングルモードCW発光スペクトル _th 15〜70°Cのさまざまなヒートシンク温度に対して。挿入図は、20°Cで0.05 Aのステップで、0.63〜1.38Aのさまざまな注入電流でのCW発光スペクトルを示しています。 b さまざまな温度でのキャビティ長6mmのサンプリングされたグレーティングDFBQCLのCW光-電流-電圧（L-I-V）特性。

図7は、約1.25× I のパルス動作でのデバイスの遠方界プロファイルを示しています。 _th 室温で。図7aは、リッジ幅方向に沿った遠方場プロファイルを示し、図7bは、エピタキシャル成長方向に沿った遠方場プロファイルを示しています。実験的研究は、基本横モードと表面の上部金属接触との間の結合により基本横モードの損失が増加するため、基本横モードが表面金属格子構造よりも埋め込み格子構造でより容易にレイジングモードになる可能性があることを示した金属格子構造[6]。それによると、我々の実験では、半値全幅（FWHM）がリッジ幅の方向に沿って28.2°である基本横モードの遠方場プロファイルが得られました。したがって、埋め込みグレーティングコンフォメーションのもう1つの明らかな利点は、レイジングモードが一般に、コリメーションに有利なシングルローブ遠方場プロファイルを持つ基本的な横モードであるということです。さらに、波長と同じオーダーの小さな放射アパーチャにより、エピタキシャル成長方向に沿って50.1°の大きなFWHMが得られます。

a 尾根幅方向に沿った遠方場プロファイル。 b エピタキシャル成長方向に沿った遠方場プロファイル

結論

結論として、低しきい値、高出力の電力安定性のあるシングルモードエミッションサンプリンググレーティングDFBQCLが達成されました。最大CW出力電力としきい値電流密度は0.948W（0.649 W）と1.05 kA / cm ² です。 （1.59 kA / cm ² ）6 mm（4 mm）キャビティの場合。結合強度を下げるために小さなサンプルデューティサイクルを導入することにより、光場の分布の大幅な改善が実現されます。単一ローブの遠方場プロファイルも観察されます。したがって、埋め込み分散フィードバック量子カスケードレーザーの場合、サンプリングされたグレーティングを組み込むことは、高出力パワー、低しきい値、安定したシングルモード放射、および高いシングルモード歩留まりを備えたデバイスを実現するためのシンプルで効果的な方法です。

略語

CW：

連続波

DFB：

分散フィードバック

EL：

エレクトロルミネッセンス

FWHM：

半値全幅

HR：

高い反射率

L–I–V：

光-電流-電圧

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

QCL：

量子カスケードレーザー