使用埋置采样光栅在量子级联激光器中演示高功率和稳定的单模

介绍

量子级联激光器（QCLs）以其突出的特点在首次展示后被证明是最有前途的中红外光源之一，并在遥感、高分辨率光谱和工业过程监测等应用领域备受关注。例如大波长覆盖范围、紧凑尺寸和高输出功率 [1,2,3,4]。对于这些应用，通常需要单模发射和高输出功率，这可以通过分布式反馈 (DFB) QCL 来实现。与表面光栅相比，埋入式光栅方法已被广泛采用，因为它具有更小的波导损耗、更低的阈值电流密度和更高的单模产率 [5, 6]。迄今为止，基于埋入式光栅方法在提高 DFB QCL 的单模稳定性和输出功率方面取得了一系列重大突破 [7, 8]，但埋入式光栅的过耦合反馈机制阻碍了输出功率进一步提升。在室温下，发射波长约为 4.6-5 μm 的埋入式均匀光栅 DFB QCL 的连续波 (CW) 输出功率的典型值小于 300 mW [5, 9]。理论上，可以通过优化光栅深度和占空比来提高埋入式光栅的耦合系数。然而，分布式反馈性能水平对靠近有源区的半导体层中光栅的蚀刻轮廓非常敏感。蚀刻深度和占空比的任何微小变化都会强烈影响光栅耦合系数 [10, 11]。此外，基于低成本的全息光刻技术和湿法化学蚀刻，也难以通过精确控制光栅深度和占空比来改善光栅耦合。通常，传统的 DFB QCL 以两个稍微偏离布拉格频率的频率振荡，这取决于小面随机相位影响的光损耗 [12,13,14]。

在这项工作中，我们建议使用具有小采样占空比的埋入采样光栅来优化耦合系数并改善光场分布。这种方法的突出优点是能够增加器件的腔长以获得足够的光学增益，同时保持理想的光栅耦合强度。为了提高单模产量和最终性能，精确控制两个端面的切割位置以避免端面随机相位的影响。一方面，这种方法保留了低阈值电流密度下波导损耗小的优点，并且与埋入式异质结构处理兼容。此外，采样光栅仅通过传统的全息曝光与光学光刻相结合来制造，从而提高了灵活性、可重复性和成本效益。因此，在 λ 处发射的低阈值和高输出功率单模 DFB QCL ∼ 4.87 μm 在埋入式采样光栅结构中同时实现。这些 DFB-QCL 的阈值电流密度低至 1.05 kA/cm ² 单面在 20 °C 下为具有 6-mm 腔长的器件产生了 948 mW 的 CW 输出功率。

方法

均匀光栅DFB QCL的示意图如图1a所示； I、II、III、IV 标记代表可能的四种解理端面位置。众所周知，纳米级均匀光栅的解理面位置很难精确控制。因此，由于切割面位置是随机的，因此发射模式因器件而异。这里我们基于MATLAB的传递矩阵法，对I、II、III、IV四种可能的解理端面位置的两侧模的损耗差和模损耗谱进行了仿真计算。 I、II、III、IV四种解理端面位置的两侧模损耗差绝对值如图1b所示；横坐标表示为 I、II、III、IV 的相对位置（假设另一个刻面仅以光栅峰值开始并对应于零相位，则 I、II、III 和 IV 的相应相位是 0、π/2、π 和 3π/2）。图 1c、d、e 和 f 详细显示了四种解理端面位置的模式损耗谱。正如人们所见，受刻面随机相位影响的器件之间的激光模式和损耗差异是不同的。图 2a 显示了 I、II、III 和 IV 四种可能的解理端面位置的相应归一化光场分布，由相同的传递矩阵方法模拟。图2b和c是两个端面附近光场分布的放大图。正如我们所见，两个端面的强度并不是完全对称的，这是由两个端面的位置不对称造成的。这里我们展示了耦合强度κ的情况 × L =17，这是过度耦合。器件中心的光强峰值向两端快速衰减，可能导致严重的空间烧孔，进而难以维持稳定的单模工作[15]。

一 均匀光栅结构图； I、II、III和IV的符号代表可能的四种解理端面位置。 b I、II、III、IV的不同解理端面位置的模式损耗差的绝对值，横坐标表示为I、II、III、IV解理面位置的对应相位。 c –f 分别为I、II、III、IV四种可能解理端面位置的模式损耗谱

一 I、II、III、IV四种解理端面位置的均匀光栅结构对应的光场分布。 b , c 两个端面附近光场分布的放大

这里我们通过采样光栅结构来改善基于P的采样周期的光强分布 =15 μm 和块长度 u =5 μm 对应于σ的采样占空比 =u /P =1/3，如图 3a 所示。图 3a 的垂直虚线代表解理面位置，它偏离块区以避免引入端面随机相位。对应的有效耦合系数κ eff 可以简单地由耦合系数 κ 的乘积给出 均匀光栅乘以占空比σ 的采样光栅，即 κ eff =κ × σ [16]。因此采样光栅的耦合系数可以通过采样光栅的占空比任意调整，有利于优化采样光栅的耦合强度。结果，可以提高输出功率。图 3b 显示了基于传递矩阵法计算得到的采样光栅的透射光谱和脉冲条件下测量的电致发光 (EL) 光谱。 λ −1 和 λ +1 是采样光栅引入的额外超模式。超模的相邻光谱距离可由Δλ计算 =λ B ² /(2n 效果P ) 其中 n eff 是波导的有效折射率，λ B 是基本均匀光栅的布拉格波长 [17]。虽然超模的存在可能会影响单模稳定性，但通过选择较小的采样周期P，可以将超模设计在远离增益曲线中心的地方 根据超模谱距离公式。在我们的研究中，基本布拉格光栅周期Λ , 采样周期P , 波导的有效折射率 n eff 和占空比 σ 分别为 0.758 μm、15 μm、3.21 和 1/3，因此超模的相邻光谱距离约为 246 nm。如图 3b 所示，布拉格波长（0 阶）被设计在增益曲线的峰值附近，而 + 1 阶和 - 1 阶波长分别距离增益曲线中心 246 nm。最后，在我们的研究中可以实现稳定的 0 阶模式的单模激光。图 4a 显示了不同注入电流下采样光栅的模拟光场分布。可以看出，采样光栅结构在两端面的光场强度分布有了显着的改善，这对应于输出功率的重大提高。图 4b 是一个端面附近光场分布的放大图，图 4c 显示了端面处的光场强度随注入电流的详细变化。如图 4b 所示，光场分布的轮廓不是平滑的而是波动的。波动是由每个采样周期中块区域和非光栅区域之间的“界面反射”引起的，导致沿腔的“局部”能量密度集中。此外，如图4c所示，端面相对强度分布的变化与注入电流呈非线性关系，这可能导致器件功率-电流曲线的非线性。

一 采样光栅结构示意图，垂直虚线代表解理面位置，P 是采样周期，u 是一个采样周期内光栅区域的长度。 b 蓝线是所设计的采样光栅的计算透射光谱，红线是所制造晶片的实测电致发光光谱

一 不同注入电流下采样光栅的模拟光场分布。 b 靠近端面之一的光场分布的放大。 c 端面光场相对强度随注入电流的详细变化

QCL 结构生长在 n-InP (Si, 2 × 10 ¹⁷ 厘米 ⁻³ ) 衬底通过固体源分子束外延 (MBE)。有源核心由 40 级应变补偿 In0.67Ga0.33As/In0.37Al0.63As 量子阱和提供电子跃迁通道以产生光子的势垒组成，其被上下 InGaAs 限制层包围。使用双光束全息光刻技术结合传统光学光刻技术在上 InGaAs 限制层上定义光栅。然后通过金属有机气相外延 (MOVPE) 生长上波导层。之后，将晶片加工成双通道脊形波导激光器，平均芯宽约为 10 μm，填充半绝缘 InP:Fe 以有效去除热量。然后通过等离子体增强化学气相沉积 (PECVD) 沉积 450 nm 厚的 SiO2 层以进行绝缘，并通过电子束蒸发沉积的 Ti/Au 层提供电接触。额外电镀了 5 微米厚的金层以改善散热。在减薄至约 140 μm 后，Ge/Au/Ni/Au 金属接触层沉积在基板侧。然后将波导劈成 4 毫米和 6 毫米长的条，并在其中之一上沉积由 Al2O3/Ti/Au/Al2O3（200/10/100/120 nm）组成的高反射率 (HR) 涂层。通过电子束蒸发的刻面，留下一个未涂层的刻面，用于测量边缘发射功率。最后，将激光器外延层朝下安装在带有铟焊料的金刚石散热片上，然后将其焊接在铜散热片上以有效散热。

结果与讨论

器件光谱由傅里叶变换红外光谱仪测试，分辨率为0.25 cm ^-1 .然后将激光器安装在包含热敏电阻和热电冷却器的支架上，以监测和调整底座温度。发射光功率由放置在激光面前的校准热电堆探测器测量，未经任何校正。

图 5 和图 6 分别显示了具有 4 毫米和 6 毫米腔长采样光栅 DFB QCL 的器件的发射光谱和光-电流-电压 (L-I-V) 特性。正如人们所见，在所有测试过程中，光谱随注入电流或温度呈线性变化。在 CW 模式下，器件的最大光功率在 20 °C 时分别为 649 mW 和 948 mW，腔长为 4mm 和 6mm，电流为 1.2A 和 1.4A。此外，器件的低 CW 阈值电流密度为 1.59 kA/cm ² 和 1.05 kA/cm ² 在 20 °C 下实现了 4mm 和 6mm 腔长，充分体现了埋入式光栅波导损耗小和阈值电流密度低的优点。从激光光谱中可以看出，激光模式与温度或注入电流的变化呈线性关系，这表明在注入电流或温度变化的过程中不会发生模式跳跃。然而，功率-电流曲线不是线性的，这是由于采样光栅结构的光场分布的波动以及端面光场强度随注入电流的不均匀变化引起的。

一 腔长为 4 mm 的采样光栅 DFB QCL 在电流约为 1.1 × I 时的单模 CW 发射光谱 th 对于 15–70 °C 的不同散热器温度。插图显示了在 0.63 到 1.08 A 的不同注入电流下的 CW 发射光谱，步长为 0.05 A，20 °C。 b 腔长为4 mm的采样光栅DFB QCL在不同温度下的CW光-电流-电压(L-I-V)特性

一 腔长为 6 mm 的采样光栅 DFB QCL 在电流约为 1.1 × I 时的单模 CW 发射光谱 th 对于 15–70 °C 的不同散热器温度。插图显示了在 0.63 到 1.38 A 的不同注入电流下的 CW 发射光谱，步长为 0.05 A，20 °C。 b 腔长6 mm的采样光栅DFB QCL在不同温度下的CW光-电流-电压(L-I-V)特性。

图 7 显示了器件在大约 1.25 × I 的脉冲操作下的远场轮廓 在室温下。图7a显示了沿脊宽方向的远场分布，图7b显示了沿外延生长方向的远场分布。实验研究表明，与表面金属光栅结构相比，基本横向模式更容易成为埋入式光栅结构中的激光模式，因为基本横向模式的损失会由于基本横向模式和表面顶部金属接触之间的耦合而增加金属光栅结构[6]。据此，在我们的实验中已经获得了沿脊宽方向具有28.2°的半峰全宽（FWHM）的基横模的远场轮廓。因此显示了掩埋光栅构造的另一个明显优势，即激光模式通常是具有单瓣远场轮廓的基本横模，这有利于准直。此外，由于与波长相同数量级的小发射孔径，沿外延生长方向获得了50.1°的大半高宽。

一 沿脊宽方向的远场剖面。 b 沿外延生长方向的远场剖面

结论

总之，已经实现了低阈值、高输出功率稳定的单模发射采样光栅 DFB QCL。最大连续波输出功率和阈值电流密度分别为 0.948 W (0.649 W) 和 1.05 kA/cm ² (1.59 kA/cm ² ) 用于 6 毫米 (4 mm) 腔。通过引入小的采样占空比来降低耦合强度，实现了光场分布的重大改进。还观察到单瓣远场剖面。因此对于埋入式分布反馈量子级联激光器，结合采样光栅是实现高输出功率、低阈值、稳定单模发射和高单模产率的器件的一种简单有效的方法。

缩写

CW：

连续波

DFB：

分布式反馈

EL：

电致发光

FWHM：

半高全宽

人力资源：

高反射率

L–I–V：

光-电流-电压

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

QCL：

量子级联激光器