低功耗基板发射 DFB 量子级联激光器

背景

近年来，量子级联激光器（QCL）发展迅速，成为中红外频段最有前景的光源[1,2,3]。得益于其高功率、单模式操作和紧凑的尺寸，分布式反馈 (DFB) QCL 已广泛应用于许多应用，例如痕量气体传感、自由空间通信和物质分析 [4,5,6]。然而，QCL 的另一个缺点是它们的高电功耗，这限制了它们在一些便携式和高度集成的系统中的应用。要降低功耗，最直接的方法是减小器件的几何尺寸，例如缩短腔体和缩小脊线。高反射率 (HR) 涂层对于减少镜面损耗也非常有效。已经进行了一些研究，通过使用短腔并在刻面上沉积 HR 涂层 [7] 或部分高反射率 (PHR) 涂层 [8]，来降低法布里-珀罗 (FP) QCL 的阈值功耗，其中AC Richard 等人已经证明了 22°C 时的耗散功率低至 1.2 W，25°C 时的耗散功率低至 0.83 W。和 Y. Bai 等人，分别。这些方法也可以应用于 DFB 设备。 2014 年，Ryan M. Briggs 等人。报道了一种单模 DFB QCL 发射波长为 4.8 μm，CW 阈值功耗为 0.76 W，最大光功率为 20 °C [9]。 2015 年，A. Bismuto 等人。展示了短腔、窄脊单模 DFB QCL，发射波长为 4.5 μm，CW 阈值耗散功率在 20°C 时低至 0.5 W [10]。最大光功率约为 150 mW；然而，注入的电功率超过 6 W。其他方法，如掺杂优化和低周期有源结构也已被研究 [7, 11]。对于边缘发射 QCL，HR 涂层通常沉积在背面，而使正面未涂层或 PHR 涂层，以减少镜面损耗，同时保持从正面发射的光功率。取而代之的是，两个刻面都可以进行 HR 涂层以用于基板发射，以进一步降低反射镜损耗，因为光是从基板而不是正面发射的。此外，可以预期基板发射 QCL 的远场分布得到改善 [12, 13]。根据我们最近的工作，通过在两个面上沉积 HR 涂层获得了在 20°C 下具有 1.27 W 低阈值功耗的基板发射 DFB QCL [14]。参考文献 [14] 中的有源区由 40 个超晶格周期组成，阈值电压约为 13 V。如果减少有源区的周期数，可以预期较低的阈值电压和较低的阈值功耗。通过适当设计埋入式二阶光栅以降低阈值功耗，还可以进一步缩短1 mm的腔长。

在目前的工作中，开发了一种超低功耗基板发射 DFB QCL。通过将腔长缩短至 0.5 毫米并在两个面上沉积 HR 涂层，在 CW 模式下工作的阈值功耗在 15°C 时低至 0.4 W，在 25°C 时低至 0.43 W。 CW 模式下的最大光功率在 25°C 时为 2.4 mW，足以满足光谱应用的需求。通过采用埋入式二阶光栅实现单模发射。发散角为22.5 ^o 和 1.94 ^o 分别在脊宽方向和腔长方向上的半峰全宽 (FWHM)。腔长方向上的双瓣远场分布表明反对称模式是有利的。这些器件可以在 15 至 105°C 的宽温度范围内以 CW 模式运行，无需跳模，非常适合高集成度便携式应用。

方法

该器件的有源区基于应变补偿双声子谐振设计，发射波长为 ~ 4.6 μm。晶片在 n 掺杂 (Si, 2 × 10 ¹⁷ cm ^{− 3} ) InP 衬底通过固体源分子束外延 (MBE)。有源核中包含三十级 In0.67Ga0.33As/In0.36Al0.64As 量子阱和势垒，与 Ref. [15] 整个层序如下：1.2 微米厚的下包层（Si，2.2 × 10 ¹⁶ cm ^{− 3} )，0.3 微米厚的 n-In0.53Ga0.47As 层（Si，4 × 10 ¹⁶ cm ^{− 3} )，30 个有源/注入器级，0.3 微米厚的 n-In0.53Ga0.47As 层（Si，4 × 10 ¹⁶ cm ^{− 3} )，以及顶部波导包层播放器。为了制造埋入式光栅，顶部的波导包覆层被移除到上部的 InGaAs 层。周期为Λ的二阶光栅 =1.42 μm（占空比 σ =0.45，深度 d =’] 是通过全息光刻技术和湿法化学蚀刻在 0.3 微米厚的 InGaAs 上层上定义的。图 1a 显示了埋入式二阶光栅的扫描电子显微镜 (SEM) 图像。之后，一个 3 微米厚的低掺杂 InP 层（Si，2.2 × 10 ¹⁶ cm ^{− 3} ），然后是 0.15 μm 逐渐掺杂的 InP 层（Si，来自 1 × 10 ¹⁷ 到 3 × 10 ¹⁷ cm ^{− 3} ) 和 0.4-μm 高掺杂 InP 包覆层 (Si, 5 × 10 ¹⁸ cm ^{− 3} ) 依次通过金属有机气相外延 (MOVPE) 作为上包层完成。

一 埋入式光栅的SEM图像和b 用COMSOL模拟埋入式二阶光栅的耦合系数和耦合强度

实施再生后，晶圆被蚀刻成双通道波导结构，平均纤芯宽度为 7 μm。然后，通过等离子体增强化学气相沉积 (PECVD) 沉积 450 nm 厚的 SiO2 以进行绝缘。在脊的 SiO2 层上图案化了一个 2 μm 宽的电子注入窗口，并通过 Ti/Au 层提供了电接触。为了更好的散热，电镀了额外的 4 μm 厚的 Au 层。在实际切割之前，使用有限元方法软件（COMSOL）对二阶埋入式光栅的设计进行了大量模拟，这与参考文献类似。 [16] 减薄到 150 μm 后，波导被切割成 0.5 和 1 毫米长的器件，对应的耦合强度分别为 0.54 ~ 1.77 和 1.08 ~ 3.55。然后，通过电子束蒸发对这些器件的两个面进行 HR 涂层。 HR 涂层由 Al2O3/Ti/Au/Al2O3 (200/10/100/120) 组成。这些器件使用铟焊料以外延层向下安装在铜散热片上，然后引线键合到外部接触焊盘。

设备测试是在热电冷却器 (TEC) 台上完成的，热敏电阻可调节和监控散热器的温度。 QCL 的输出功率由校准的热电堆检测器（Coherent，EMP1000）测量，该检测器放置在设备正前方，金属管收集激光发射。然后，将该装置置于分辨率为 0.01 ^o 的步进电机控制的旋转台上 为了进行远场分布测试，将室温 HgCdTe 探测器（Vigo，PVMI-10.6）放置在激光器前面 30 cm 距离处以检测辐射。使用分辨率为 0.25 cm ^{− 1} 的傅里叶变换红外 (FTIR) 光谱仪（Thermo Fisher Scientific, Nicolet 8700）进行光谱测量 快速扫描模式。

结果与讨论

COMSOL 仿真结果如图 1b 所示。根据计算，耦合系数为|κ| =35.5 ~ 10.75 cm ^{− 1} 获得占空比为 0.35 ~ 0.45 且蚀刻深度为 180 nm 的埋入式光栅。耦合强度g =|κ|L , 其中 L 是 QCL 的腔长。为了获得有效的表面发射，耦合强度总是需要 1-2。对于腔长为 1 和 0.5 毫米的器件，当占空比为 0.35 ~ 0.45 时，模拟耦合强度在 3.55 ~ 1.07 和 1.78 ~ 0.54 的范围内。因此，埋入式光栅的设计对于短腔长器件非常重要。

特别令人感兴趣的是电气特性。光电流电压 (L-I-V) 不同腔长的器件曲线如图2所示。激光器工作在CW模式，散热器温度由温度控制器（Thorlabs，ITC-QCL-4000）调节。如图 2a 所示，具有 1 毫米长空腔的器件在 25°C 下表现出 65 mA 的阈值电流，对应于 0.54 kA/cm ^{− 2} 的阈值电流密度 功耗为 0.67 W。最大光功率为 8.6 mW，注入电功率为 1.66 W，斜率效率为 0.11 W/A。在 65 °C 的高温下，最大光功率仍超过 5 mW。对于 0.5 毫米腔长器件，阈值电流和功耗在 15°C 时降低至 39 mA 和 0.4 W，如图 2b 所示。阈值电流密度为 0.65 kA/cm ^{− 2} .当注入的电功率为 0.74 W 时，推导出的最大光功率为 2.8 mW。在 25 °C 时，阈值电流略微增加到 41 mA，对应的功耗为 0.43 W。据我们所知，这是相同温度下 QCL 的最低阈值功耗。该器件的最大光功率为 2.4 mW，功耗为 0.76 W，非常适合一些高集成传感器应用。在 35 °C 时，最大光功率约为 1.9 mW。该设备在 CW 模式下可在高达 105°C 的温度下工作，但输出功率会变小且难以准确检测。与参考文献 [9,10,11] 中以前的工作相比，我们设计的最大光功率并不显着，因为该设备的墙插效率较低。这在本质上受到外延晶片质量的限制。此外，0.5 mm腔长器件的最大壁插效率在室温下为0.32%，小于1 mm腔长器件的0.5%。

1 mm (a ) 和 0.5 毫米 (b ) 设备

激光器的光谱特性如图 3 所示。1 毫米和 0.5 毫米器件都可以在 15 到 105°C 的宽温度范围内在没有跳模的 CW 模式下运行。这是所有低功耗 QCL 中的最高工作温度。如此高的工作温度主要得益于刻面的HR镀膜带来的镜面损耗降低。温移系数为 − 0.21 cm ^{− 1} /K 和 − 0.19 cm ^{− 1} /K，分别。两种器件在相同温度范围内的光谱范围略有不同，这可能是由于光栅的光刻和蚀刻工艺不均匀造成的。设备的边模抑制比 (SMSR) 约为 25 dB。这些器件良好的线性调谐能力、单模和高工作温度使其在痕量气体传感等一些实际应用中非常有用。

a的激光光谱 0.5 和 b 1 毫米腔长器件

0.5 mm 器件的远场分布如图 4 所示。在脊宽方向，发散角为 22.5 ^o 的单瓣图案 观察到 (FWHM)，如图 4a 所示。图 4b 显示了腔长方向的远场模式。远场模式表明反对称模式是有利的，这是由手工切割和残余小面反射的不均匀性引起的 [16]。对称模式可以通过在DFB光栅区域两侧使用分布式布拉格反射器（DBR）光栅来消除不受控制的劈裂面反射[17]。

0.5 毫米腔长器件的远场分布。 一 , b 分别为脊宽和腔长方向的远场分布

结论

我们通过将腔长缩短至 0.5 毫米并在两个小平面上沉积 HR 涂层，开发了一种基板发射 DFB QCL，在 25°C 下以 CW 模式运行，具有 0.43 W 的超低阈值功耗。其最大光功率为 2.4 mW，相应的功耗为 0.76 W。通过定义埋入式二阶 DFB 光栅，在 15 至 105°C 的宽温度范围内获得无跳模的单模发射。发散角为22.5 ^o 和 1.94 ^o 分别在脊宽方向和腔长方向上。该器件的低功耗特性使其成为一些电池供电的便携式系统中很有前景的光源。

缩写

CW：

连续波

DFB：

分布式反馈

FP：

法布里-珀罗

FTIR：

傅里叶变换红外

FWHM：

半高全宽

人力资源：

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：

扫描电子显微镜

短信：

边模抑制率

TEC：

热电冷却器