高出力DBR量子カスケードレーザーにおける異例の短波長モードホップ

概要

7.6μm近傍で発光する分布ブラッグ反射鏡（DBR）量子カスケードレーザー（QCL）における予期せぬ短波長モードホップを報告します。利得部と非励起ブラッグ部からなる2セクションデバイスは、室温で>0.6WのCW出力を達成。従来の温度や注入電流上昇に伴う長波長ドリフトとは対照的に、レーザーモードが時折短波長側へジャンプすることを観測。モード解析により、温度誘起屈折率変化が縦モードをブラッグピックより速くシフトさせ、観測された転移を引き起こすことを示しました。

はじめに

量子カスケードレーザーは、伝導帯内のサブバンド間遷移で動作することで従来の半導体レーザーと異なり、中・遠赤外発光を可能にします。その広いスペクトルカバレッジにより、ガスセンシング、高分解能分光、産業モニタリングに不可欠です。しかし、多くの応用には狭線幅と高出力が要求されます。分布帰還（DFB）と外部共振器（EC）QCLは通常単一モード動作を提供しますが、~100mW出力と狭い調整範囲に制限されます。分布ブラッグ反射鏡（DBR）QCLは高出力単一モード発光のコンパクトなプラットフォームを提供しますが、詳細なスペクトル振る舞いは十分に探求されていません。ここでは、DBR QCLを提示し、異常モードホッピングを詳細に調査します。

方法

DBR格子を二重ビームホログラフィック干渉法で定義。デバイスは利得部（L_G）、DBR部（L_DBR）、電流分離グルーブで構成。QCLコアをn-InP上に固体光源MBEで成長、50周期の歪み補償In₀.₅₈Ga₀.₄₂As/In₀.₄₇Al₀.₅₃As量子井戸を使用（厚みシーケンスは原文参照）。上部クラッディング層上に100nm SiO₂層を堆積；DBR領域を~130nm深度までエッチング後、SiO₂除去。トップ導波路をMOVPEで再成長、3μm上部InPクラッディング、0.15μm勾配ドープInP層、0.85μm高ドープInPコンタクト層を形成。ウェーハをダブルチャネルリッジ導波路（コア幅≈10μm）に加工、半絶縁InP:Feで熱的・電気的分離。200μm電流分離グルーブ（深度1.1μm）で利得部とDBR部を分離。SiO₂絶縁後、Ti/Auコンタクト堆積、5μm Au層を電気メッキで熱放散用に形成。デバイス（6mm長）を4.3mm利得、1.5mm DBR、0.2mm分離領域にクライビングし、エピ層側をダイヤモンドヒートシンクと銅マウントに半田付け。

DBR QCLの概略：利得部L_G、DBR部L_DBR、分離ギャップ。

結果と考察

発光スペクトルをフーリエ変換赤外分光計（0.125cm⁻¹分解能）で記録。P-I-V特性を校正済み熱電堆検出器で測定。レーザーをサーミスタとペルチェクーラー装備ホルダーに搭載し、サブマウント温度を制御。図2aは1.005I_thでのCWスペクトルを、ヒートシンク温度を20℃から70℃まで2℃刻みで変化させたもの。図2bインセットは24℃スペクトルを対数スケールでプロットし、サイドモード抑制比（SMSR）≈25dBを示唆。従来のDFB QCLが温度や電流で線形に長波長側へシフトするのとは異なり、我々のDBRデバイスは温度上昇に伴い異常な短波長モードホップを示します。これを説明するため、モード選択メカニズムを検証しました。図3aに実測ウェーハ利得曲線と計算ブラッグ反射プロファイル（1.5mm格子で98%反射率）を表示。図3b概略図は、利得、ブラッグピーク、縦モードが温度とともにどうシフトするかを示します。利得ピークは-0.581cm⁻¹/K、ブラッグピークは-0.128cm⁻¹/Kで移動。ブラッグピークが利得の短波長側に留まるため、屈折率変化に従う縦モードが最終的にブラッグピークより速く移動し、次の利用可能な縦モードへモードホップを強制します。これが観測された異常ホップを説明します。縦モード間隔は有効共振器長から計算：L_eff=(1/2κ)tanh(κL_DBR)、κ=(1/Λ)(Δn̄/n̄)。物理的DBR長1.5mmでL_eff≈0.291mm、理論間隔0.328cm⁻¹、実験観測の0.12cm⁻¹間隔と良好に一致。図5は注入電流増加でも同現象を示します。最初の異常ホップは0.904cm⁻¹（3モード分）、続く0.301cm⁻¹ホップ。P-I曲線は各ホップで明確な不連続性を示し、標準DFB QCLには見られない挙動です。図6でDBRレーザーと4mmファブリペロ（FP）レーザーを比較。FPは987mW到達、DBRは20℃で656mW、70℃で235mW達成、長波長赤外QCL単一モードとして最高出力を報告。シミュレート光場分布（図6b）は、DBRが利得部で高強度維持しながらDBR部で急速減衰し、過結合なしで長共振器動作可能なことを示し、DFBレーザーに対する利点を示唆。

DBR QCLの発光スペクトル（a）と波数vs温度（b）。インセット：24℃スペクトル（対数スケール）。

実測ウェーハ利得曲線と計算ブラッグ反射（a）；モード選択の概略（b）。

有効DBR長vs物理長（a）；有効長vs物理長（b）。

発光スペクトルvs電流（a）；波数vs温度（b）とP-I曲線（b）。

電流-電圧曲線：DBR（赤）vs FP（黒）（a）；DBR、FP、DFBのシミュレート場分布（b）。

結論

室温で>0.6W CW出力の高出力DBR QCLを実証しました。異常短波長モードホップの詳細解析により、DBRデバイスのモード選択ダイナミクスへの洞察を提供。DBRアーキテクチャは長共振器単一モード動作と優れた出力抽出を可能にし、高出力中赤外レーザー応用の有望なプラットフォームとして位置づけられます。

データと材料の入手可能性

すべてのデータは制限なく完全に入手可能です。

略語

CW

連続波

DBR

分布ブラッグ反射鏡

DFB

分布帰還

EC

外部共振器

FP

ファブリペロ

MBE

分子線エピタキシー

MOVPE

金属有機化合物気相成長

P-I-V

出力-電流-電圧

QCL

量子カスケードレーザー

SMSR

サイドモード抑制比