Lasers DFB Quantum Cascade à substrat à faible consommation d'énergie

Contexte

Ces dernières années, les lasers à cascade quantique (QCL) ont connu un développement rapide et sont devenus la source la plus prometteuse dans la région des fréquences infrarouges moyennes [1,2,3]. Bénéficiant de leur puissance élevée, de leur fonctionnement monomode et de leur taille compacte, les QCL à rétroaction distribuée (DFB) ont été largement utilisées dans de nombreuses applications telles que la détection de gaz traces, la communication en espace libre et l'analyse de substances [4,5,6]. Cependant, le dernier inconvénient des QCL est leur forte dissipation de puissance électrique, ce qui a limité leur application dans certains systèmes portables et hautement intégrés. Pour diminuer la dissipation de puissance, la méthode la plus simple consiste à réduire la taille de la géométrie de l'appareil, par exemple en raccourcissant la cavité et en rétrécissant la crête. Le revêtement à haute réflectivité (HR) est également très efficace pour réduire la perte de miroir. Certaines études ont été menées pour réduire le seuil de dissipation de puissance des QCL de Fabry-Pérot (FP) en utilisant une cavité courte et en déposant un revêtement HR [7] ou un revêtement partiel à haute réflectivité (PHR) sur les facettes [8], dans lequel le une puissance dissipée aussi faible que 1,2 W à 22 °C et 0,83 W à 25 °C a été démontrée par AC Richard et al. et Y. Bai et al., respectivement. Ces méthodes pourraient également être appliquées aux dispositifs DFB. En 2014, Ryan M. Briggs et al. ont rapporté un DFB QCL monomode émettant à 4,8 μm avec une consommation électrique seuil CW de 0,76 W et une puissance optique maximale d'environ 17 mW à 20 °C [9]. En 2015, A. Bismuto et al. ont démontré des DFB QCL monomodes à cavité courte et à crête étroite émettant à 4,5 μm avec un seuil de puissance dissipée CW aussi bas que 0,5 W à 20 °C [10]. La puissance optique maximale est d'environ 150 mW ; cependant, la puissance électrique injectée est supérieure à 6 W. D'autres méthodes telles que l'optimisation du dopage et la structure active à faible période ont également été étudiées [7, 11]. Pour les QCL à émission latérale, le revêtement HR est généralement déposé sur la facette arrière et laisse la facette avant non revêtue ou revêtue de PHR pour réduire la perte de miroir tout en maintenant la puissance optique émise par la facette avant. Au lieu de cela, les deux facettes peuvent être recouvertes d'un revêtement HR pour l'émission du substrat afin de réduire davantage la perte de miroir puisque la lumière est émise par le substrat au lieu de la facette avant. En outre, des distributions améliorées en champ lointain peuvent être attendues des QCL émettant un substrat [12, 13]. Selon nos travaux récents, un DFB QCL émetteur de substrat avec une dissipation de puissance à faible seuil de 1,27 W à 20 °C a été obtenu en déposant un revêtement HR sur les deux facettes [14]. La région active dans Ref [14] se compose de 40 périodes de super-réseau et la tension de seuil est d'environ 13 V. Une tension de seuil inférieure et, par conséquent, une dissipation de puissance de seuil inférieure peuvent être attendues si le nombre de périodes de la région active est diminué. La longueur de la cavité de 1 mm pourrait également être raccourcie en concevant correctement le réseau enterré de second ordre pour diminuer la dissipation de puissance de seuil.

Dans le présent travail, un DFB QCL émettant un substrat à très faible consommation d'énergie a été développé. Le seuil de dissipation de puissance fonctionnant en mode CW est aussi faible que 0,4 W à 15 °C et 0,43 W à 25 °C en raccourcissant la longueur de la cavité à 0,5 mm et en déposant un revêtement HR sur les deux facettes. La puissance optique maximale en mode CW est de 2,4 mW à 25 °C, ce qui est suffisant pour les applications de spectroscopie. L'émission monomode a été obtenue en utilisant un réseau enterré de second ordre. Les angles de divergence sont de 22,5 ^o et 1,94 ^o pleine largeur à mi-hauteur (FWHM) dans la direction de la largeur de la crête et la direction de la longueur de la cavité, respectivement. La distribution du champ lointain à double lobe dans la direction de la longueur de la cavité indique que le mode antisymétrique est favorisé. Ces appareils peuvent fonctionner en mode CW sans saut de mode dans une large plage de températures de 15 à 105 °C et conviendront parfaitement aux applications portables hautement intégrées.

Méthodes

La région active de l'appareil était basée sur une conception résonante à deux phonons à compensation de contrainte émettant à ~ 4,6 μm. La plaquette a été cultivée sur un n-dopé (Si, 2 × 10 ¹⁷ cm ^− 3 ) Substrat InP par épitaxie par jets moléculaires à source solide (MBE). Trente étapes de In_0.67 Ga_0.33 As/In_0.36 Al_0.64 Comme des puits quantiques et des barrières ont été inclus dans le noyau actif, qui était similaire à Ref. [15] La séquence complète des couches était la suivante :couche de revêtement inférieure de 1,2 μm d'épaisseur (Si, 2,2 × 10 ¹⁶ cm ^− 3 ), 0,3 μm d'épaisseur n-In_0,53 Ga_0.47 En tant que couche (Si, 4 × 10 ¹⁶ cm ^− 3 ), 30 étages actifs/injecteurs, 0,3 μm d'épaisseur n-In_0,53 Ga_0.47 En tant que couche (Si, 4 × 10 ¹⁶ cm ^− 3 ) et lecteur de gaine de guide d'ondes supérieur. Pour fabriquer le réseau enterré, la couche de gaine supérieure du guide d'ondes a été retirée jusqu'à la couche supérieure d'InGaAs. Le réseau du second ordre avec une période de Λ = 1,42 μm (cycle d'utilisation σ = 0,45, profondeur d = 130 nm) a été défini sur la couche supérieure d'InGaAs de 0,3 μm d'épaisseur par la technologie de lithographie holographique et la gravure chimique humide. La figure 1a montre l'image au microscope électronique à balayage (MEB) du réseau enterré de second ordre. Ensuite, une couche d'InP faiblement dopé de 3 μm d'épaisseur (Si, 2,2 × 10 ¹⁶ cm ^− 3 ) suivi d'une couche d'InP dopé progressivement 0,15 μm (Si, à partir de 1 × 10 ¹⁷ à 3 × 10 ¹⁷ cm ^− 3 ) et une couche de gaine en InP fortement dopé de 0,4 μm (Si, 5 × 10 ¹⁸ cm ^− 3 ) ont été réalisés en séquence en tant que gaine supérieure par épitaxie métal-organique en phase vapeur (MOVPE).

un L'image SEM de la grille enterrée et b le coefficient de couplage simulé et la force de couplage du réseau enterré du second ordre avec COMSOL

Après la mise en œuvre de la repousse, la plaquette a été gravée dans une structure de guide d'ondes à double canal avec une largeur de cœur moyenne de 7 μm. Ensuite, un SiO₂ de 450 nm d'épaisseur a été déposé par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) pour l'isolation. Une fenêtre d'injection d'électrons de 2 μm de large a été modelée sur SiO₂ couche de la crête, et le contact électrique était assuré par une couche Ti/Au. Pour une meilleure dissipation de la chaleur, une couche d'Au supplémentaire de 4 µm d'épaisseur a été électrodéposée. Avant le clivage, des simulations massives pour la conception du réseau enterré de second ordre ont été mises en œuvre avec un logiciel de méthode des éléments finis (COMSOL), similaire à la réf. [16] Après amincissement à 150 μm, le guide d'ondes a été clivé en dispositifs de 0,5 et 1 mm de long, correspondant à une force de couplage de 0,54 ~ 1,77 et 1,08 ~ 3,55, respectivement. Ensuite, les deux facettes de ces appareils ont été recouvertes de HR par évaporation par faisceau électronique. Le revêtement HR était composé d'Al₂ O₃ /Ti/Au/Al₂ O₃ (200/10/100/120). Les appareils ont été montés en épi-couche sur des dissipateurs thermiques en cuivre avec soudure à l'indium, puis reliés par fil à une plage de contact externe.

Les tests de l'appareil ont été effectués sur un étage de refroidissement thermoélectrique (TEC) avec une thermistance régulant et surveillant la température du dissipateur thermique. La puissance de sortie du QCL a été mesurée par un détecteur à thermopile calibré (Coherent, EMP1000) qui a été placé juste devant l'appareil avec un tube métallique collectant l'émission laser. Ensuite, l'appareil a été placé sur une platine de rotation contrôlée par un moteur pas à pas avec une résolution de 0,01 ^o pour le test de distribution en champ lointain et un détecteur HgCdTe à température ambiante (Vigo, PVMI-10.6) a été placé devant le laser à une distance de 30 cm pour détecter le rayonnement. La mesure des spectres a été réalisée à l'aide d'un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) (Thermo Fisher Scientific, Nicolet 8700) avec une résolution de 0,25 cm ^− 1 en mode de balayage rapide.

Résultats et discussion

Le résultat de la simulation COMSOL est illustré à la Fig. 1b. D'après le calcul, un coefficient de couplage de |κ| = 35,5 ~ 10,75 cm ^− 1 est obtenu pour le réseau enterré avec un rapport cyclique de 0,35 ~ 0,45 et une profondeur de gravure de 180 nm. La force de couplage g = |κ|L , où L est la longueur de cavité du QCL. Pour obtenir une émission de surface efficace, la force de couplage de 1 à 2 est toujours requise. Pour un appareil avec une longueur de cavité de 1 et 0,5 mm, la force de couplage simulée est comprise entre 3,55 ~ 1,07 et 1,78 ~ 0,54 lorsque le cycle de service est de 0,35 ~ 0,45. Par conséquent, la conception de la grille enterrée est très essentielle pour les dispositifs à cavité courte.

La caractérisation électrique est particulièrement intéressante. La tension-courant-lumière (L-I-V) La courbe des appareils avec différentes longueurs de cavité est illustrée à la Fig. 2. Les lasers fonctionnaient en mode CW et la température du dissipateur thermique était régulée par un contrôleur de température (Thorlabs, ITC-QCL-4000). Comme le montre la Fig. 2a, l'appareil avec une cavité de 1 mm de long présente un courant de seuil de 65 mA à 25 °C, correspondant à une densité de courant de seuil de 0,54 kA/cm ^− 2 et une dissipation de puissance de 0,67 W. La puissance optique maximale est de 8,6 mW avec une puissance électrique injectée de 1,66 W et l'efficacité de la pente est de 0,11 W/A. A haute température de 65 °C, la puissance optique maximale est toujours supérieure à 5 mW. Pour un dispositif de 0,5 mm de longueur de cavité, le courant de seuil et la dissipation de puissance sont réduits à 39 mA et 0,4 W à 15 °C, comme illustré à la Fig. 2b. La densité de courant seuil est de 0,65 kA/cm ^− 2 . La puissance optique maximale de 2,8 mW est déduite lorsque la puissance électrique injectée est de 0,74 W. A 25°C, le courant de seuil est légèrement augmenté à 41 mA, correspondant à une consommation de 0,43 W. A notre connaissance, il s'agit de le seuil de consommation électrique le plus bas des QCL à la même température. La puissance optique maximale de cet appareil est de 2,4 mW avec une dissipation de puissance de 0,76 W, ce qui est parfaitement adapté à certaines applications de capteurs hautement intégrés. A 35 °C, la puissance optique maximale est d'environ 1,9 mW. Cet appareil peut fonctionner à une température pouvant atteindre 105 °C en mode CW, mais la puissance de sortie deviendra faible et trop difficile à détecter avec précision. Par rapport aux travaux précédents dans la Réf [9,10,11], la puissance optique maximale de notre conception n'est pas remarquable en raison de la faible efficacité de prise murale de l'appareil. Ceci est intrinsèquement limité par la qualité de la plaquette d'épitaxie. En outre, l'efficacité maximale de la prise murale d'un appareil à cavité de 0,5 mm est de 0,32 % à température ambiante, inférieure à celle d'un appareil à cavité de 1 mm, c'est-à-dire 0,5 %.

Les caractéristiques L-I-V du 1 mm (a ) et 0,5 mm (b ) appareils

La caractérisation des spectres des lasers est illustrée à la Fig. 3. Les deux appareils de 1 et 0,5 mm peuvent fonctionner en mode CW sans saut de mode dans une large plage de températures de 15 à 105 °C. Il s'agit de la température de fonctionnement la plus élevée de tous les QCL à faible consommation d'énergie. Une température de travail aussi élevée bénéficie principalement de la perte de miroir réduite apportée par le revêtement HR sur les facettes. Le coefficient de décalage de température est de − 0,21 cm ^− 1 /K et − 0.19 cm ^− 1 /K, respectivement. Il existe une petite différence entre les régimes de spectres des deux dispositifs dans la même plage de températures, ce qui est probablement dû au processus de lithographie et de gravure non uniforme du réseau. Le rapport de suppression de mode latéral (SMSR) de l'appareil est d'environ 25 dB. La bonne capacité de réglage linéaire, le mode monomode et la température de fonctionnement élevée de ces appareils les rendent très utiles dans certaines applications réelles telles que la détection de gaz traces.

Les spectres laser du a 0,5 et b Appareil à cavité de 1 mm

La distribution en champ lointain d'un appareil de 0,5 mm est illustrée à la Fig. 4. Dans le sens de la largeur de la crête, un motif à un seul lobe avec un angle de divergence de 22,5 ^o (FWHM) est observée, comme le montre la figure 4a. La figure 4b montre le motif en champ lointain dans la direction de la longueur de la cavité. Le motif en champ lointain indique que le mode antisymétrique est favorisé, ce qui est causé par les non-uniformités du clivage à la main et des réflexions de facettes résiduelles [16]. Le mode symétrique peut être obtenu en utilisant un réseau à réflecteur de Bragg distribué (DBR) des deux côtés de la région du réseau DFB pour éliminer les réflexions de facettes clivées incontrôlées [17].

La distribution en champ lointain d'un dispositif de longueur de cavité de 0,5 mm. un , b Les distributions en champ lointain dans la direction de la largeur de la crête et de la longueur de la cavité, respectivement

Conclusions

Nous avons développé un DFB QCL émetteur de substrat avec un seuil de dissipation de puissance ultra-faible de 0,43 W à 25 °C fonctionnant en mode CW en raccourcissant la longueur de la cavité à 0,5 mm et en déposant un revêtement HR sur les deux facettes. Sa puissance optique maximale était de 2,4 mW et la dissipation de puissance correspondante était de 0,76 W. L'émission monomode sans saut de mode a été obtenue dans une large plage de température de 15 à 105 °C en définissant un réseau DFB enterré de second ordre. Les angles de divergence sont de 22,5 ^o et 1,94 ^o respectivement dans le sens de la largeur de la crête et dans le sens de la longueur de la cavité. La caractéristique de faible consommation de l'appareil pourrait en faire une source lumineuse prometteuse dans certains systèmes portables alimentés par batterie.

Abréviations

CW :

Onde continue

DFB :

Commentaires distribués

FP :

Fabry-Pérot

FTIR :

Infrarouge à transformée de Fourier

FWHM :

Pleine largeur à mi-hauteur

RH :

Haute réflectivité

MBE :

Epitaxie par faisceau moléculaire

MOVPE :

Epitaxie métal-organique en phase vapeur

PECVD :

Dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma

PHR :

Haute réflectivité partielle

QCL :

Laser à cascade quantique

SEM :

Microscope électronique à balayage

SMSR :

Rapport de suppression de mode latéral

TEC :

Glacière thermoélectrique