超低功耗底发射DFB量子级联激光器：25°C下0.43 W阈值功耗

摘要

本工作开发了一种超低功耗底发射分布反馈（DFB）量子级联激光器（QCL）。通过将腔长缩短至0.5 mm并在两个端面沉积高反射率（HR）涂层，连续波（CW）阈值功耗在25 °C下降至0.43 W。据我们所知，这是同条件下QCL的最低阈值功耗记录。采用埋藏二阶光栅实现单模发射。在15至105 °C宽温域内可观察到CW模式下无模跳发射。发散角在脊宽方向和腔长方向分别为22.5°和1.94°。25 °C下CW操作最大光功率2.4 mW，足以满足光谱应用需求。

背景

近年来，量子级联激光器（QCL）快速发展，成为中红外频段最有前景的光源[1-3]。得益于高功率、单模操作和紧凑尺寸，分布反馈（DFB）QCL广泛用于痕量气体传感、自由空间通信、物质分析等[4-6]。然而，QCL的高电功耗仍限制其在便携和高度集成系统中的应用。降低功耗最直接方法是减小器件几何尺寸，如缩短腔长和窄化脊宽。高反射率（HR）涂层减少镜面损耗也极为有效。已有研究通过短腔和HR涂层[7]或部分高反射（PHR）涂层[8]降低法布里-珀罗（FP）QCL阈值功耗，A. C. Richard等实现22 °C下1.2 W，Y. Bai等实现25 °C下0.83 W。这些方法也适用于DFB器件。2014年Ryan M. Briggs等报道4.8 µm单模DFB QCL，CW阈值功耗0.76 W，20 °C下最大光功率约17 mW[9]。2015年A. Bismuto等演示短腔窄脊单模DFB QCL，4.5 µm发射，20 °C下CW阈值耗散功率低至0.5 W[10]，最大光功率约150 mW但注入电功率超6 W。掺杂优化和低周期活性结构等其他方法也被探索[7,11]。对于边发射QCL，HR涂层常沉积于背面，前面不涂或PHR涂层以减少镜面损耗同时保持前面发射光功率。反之，底发射可对两端面均沉积HR涂层进一步降低镜面损耗，因光从底面而非前面发射。此外，底发射QCL可望获得改进的远场分布[12,13]。据我们近期工作[14]，双面HR涂层底发射DFB QCL在20 °C实现1.27 W低阈值功耗。该文献[14]活性区含40超晶格周期，阈值电压约13 V。若减少活性区周期数，可期待更低阈值电压和功耗。1 mm腔长也可通过合理设计埋藏二阶光栅进一步缩短以降低阈值功耗。

本工作开发超低功耗底发射DFB QCL。CW模式下阈值功耗在15 °C低至0.4 W、25 °C为0.43 W，通过缩短腔长至0.5 mm和双面HR涂层实现。最大CW光功率25 °C下2.4 mW，足够光谱应用。埋藏二阶光栅实现单模发射。发散角在脊宽和腔长方向分别为22.5°和1.94°（FWHM）。腔长方向双瓣远场分布指示反对称模式受青睐。器件可在15-105 °C宽温域CW无模跳操作，极适合高集成便携应用。

方法

器件活性区基于应变补偿双声子共振设计，发射~4.6 µm。晶片在Si掺杂（2×10¹⁷ cm⁻³）InP衬底上经固体分子束外延（MBE）生长。活性核心包含30级In₀.₆₇Ga₀.₃₃As/In₀.₃₆Al₀.₆₄As量子阱和势垒，类似文献[15]。完整层序：1.2 µm下包层（Si，2.2×10¹⁶ cm⁻³）、0.3 µm n-In₀.₅₃Ga₀.₄₇As层（Si，4×10¹⁶ cm⁻³）、30活性/注入级、0.3 µm n-In₀.₅₃Ga₀.₄₇As层（Si，4×10¹⁶ cm⁻³）、顶部波导包层。为制备埋藏光栅，顶部波导包层刻蚀至上InGaAs层。周期Λ=1.42 µm（占空比σ=0.45，深度d=130 nm）二阶光栅在0.3 µm厚上InGaAs层经全息光刻和湿法刻蚀定义。图1a显示埋藏二阶光栅SEM图像。其后依次外延3 µm低掺杂InP层（Si，2.2×10¹⁶ cm⁻³）、0.15 µm渐变掺杂InP层（Si，1×10¹⁷至3×10¹⁷ cm⁻³）、0.4 µm高掺杂InP包层（Si，5×10¹⁸ cm⁻³）作为上包层，采用金属有机气相外延（MOVPE）。

a 埋藏光栅SEM图像和b COMSOL模拟埋藏二阶光栅耦合系数和耦合强度

外延再生后，晶片刻蚀成双通道波导结构，平均核心宽度7 µm。沉积450 nm SiO₂（PECVD）绝缘。脊上SiO₂层制备2 µm宽电子注入窗，Ti/Au提供电接触。为改善散热，额外电镀4 µm Au层。实际劈裂前，用有限元软件（COMSOL）大量模拟二阶埋藏光栅设计，类似文献[16]。薄化至150 µm后，波导劈裂成0.5 mm和1 mm长器件，对应耦合强度0.54~1.77和1.08~3.55。随后两端面经电子束蒸发HR涂层，HR涂层为Al₂O₃/Ti/Au/Al₂O₃（200/10/100/120 nm）。器件外延层朝下用铟焊料安装于铜散热块，引线键合至外部焊盘。

器件测试在热电制冷（TEC）平台，热敏电阻调节监测散热块温度。QCL输出功率经校准热电堆探测器（Coherent，EMP1000）测量，置于器件前方配金属管收集激光发射。器件置于分辨率0.01°步进电机旋转平台进行远场分布测试，室温HgCdTe探测器（Vigo，PVMI-10.6）置于激光前30 cm检测辐射。光谱测量用傅里叶变换红外（FTIR）光谱仪（Thermo Fisher Scientific，Nicolet 8700），快速扫描模式分辨率0.25 cm⁻¹。

结果与讨论

COMSOL模拟结果见图1b。计算得占空比0.35~0.45、刻蚀深度180 nm埋藏光栅耦合系数|κ|=35.5~10.75 cm⁻¹。耦合强度g=|κ|L，L为QCL腔长。为获得高效表面发射，耦合强度1-2恒被要求。1 mm和0.5 mm腔长器件在占空比0.35~0.45时模拟耦合强度分别为3.55~1.07和1.78~0.54。因此埋藏光栅设计对短腔长器件至关重要。

电学表征尤为有趣。不同腔长器件光-电流-电压（L-I-V）曲线见图2。激光器CW模式工作，散热块温度经温控器（Thorlabs，ITC-QCL-4000）调节。图2a显示1 mm腔长器件25 °C下阈值电流65 mA，对应阈值电流密度0.54 kA/cm²和功耗0.67 W。最大光功率8.6 mW，注入电功率1.66 W，斜率效率0.11 W/A。65 °C高温下最大光功率仍>5 mW。0.5 mm腔长器件阈值电流和功耗降至15 °C下39 mA和0.4 W（图2b）。阈值电流密度0.65 kA/cm²。注入电功率0.74 W时推导最大光功率2.8 mW。25 °C阈值电流微增至41 mA，对应功耗0.43 W。据我们所知，这是同温度下QCL最低阈值功耗。该器件最大光功率2.4 mW，功耗0.76 W，非常适合高集成传感器应用。35 °C最大光功率约1.9 mW。器件可在105 °C CW模式工作，但输出功率变小难以准确检测。相比文献[9,10,11]，我方设计最大光功率不突出，因器件壁插效率低，固有受限于外延晶片质量。此外，0.5 mm腔长器件室温最大壁插效率0.32%，低于1 mm器件的0.5%。

1 mm（a）和0.5 mm（b）器件L-I-V特性

激光器光谱表征见图3。1 mm和0.5 mm器件均可在15-105 °C宽温域CW无模跳工作。这是所有低功耗QCL中最高工作温度。如此高工作温度主要得益于双面HR涂层带来的镜面损耗降低。温度调谐系数分别为-0.21 cm⁻¹/K和-0.19 cm⁻¹/K。同温域下两器件光谱范围有微小差异，可能源于光栅光刻刻蚀工艺非均匀性。器件侧模抑制比（SMSR）约25 dB。良好线性调谐能力、单模和高工作温度使这些器件在痕量气体传感等实际应用中极具用处。

a 0.5 mm和b 1 mm腔长器件激光光谱

0.5 mm器件远场分布见图4。脊宽方向观察到单瓣模式，发散角22.5°（FWHM），图4a。图4b显示腔长方向远场模式。远场模式指示反对称模式受青睐，源于手工劈裂非均匀性和残余端面反射[16]。可通过在DFB光栅区两侧使用分布布拉格反射器（DBR）光栅消除不可控劈裂面反射获得对称模式[17]。

0.5 mm腔长器件远场分布。a、b 分别为脊宽和腔长方向远场分布

结论

我们开发了一种底发射DFB QCL，通过将腔长缩短至0.5 mm并在两端面沉积HR涂层，在25 °C CW模式下实现超低阈值功耗0.43 W。最大光功率2.4 mW，对应功耗0.76 W。埋藏二阶DFB光栅实现15-105 °C宽温域无模跳单模发射。发散角在脊宽和腔长方向分别为22.5°和1.94°。器件的低功耗特性使其成为电池供电便携系统中有前景的光源。

缩略语

CW:

连续波

DFB:

分布反馈

FP:

法布里-珀罗

FTIR:

傅里叶变换红外

FWHM:

半峰全宽

HR:

高反射率

MBE:

分子束外延

MOVPE:

金属有机气相外延

PECVD:

等离子体增强化学气相沉积

PHR:

部分高反射率

QCL:

量子级联激光器

SEM:

扫描电镜

SMSR:

侧模抑制比

TEC:

热电制冷器