Laser à cascade quantique DFB à émission substrat ultra-faible consommation : 0,43 W seuil à 25 °C

Résumé

Dans ce travail, un laser à cascade quantique (LCQ) à rétroaction distribuée (DFB) à émission substrat à consommation d'énergie ultra-faible a été développé. La dissipation de puissance de seuil en onde continue (OC) est réduite à 0,43 W à 25 °C en raccourcissant la longueur de cavité à 0,5 mm et en déposant un revêtement à haute réflectivité (HR) sur les deux facettes. Pour autant que nous sachions, c'est la dissipation de puissance de seuil enregistrée la plus basse pour les LCQ dans les mêmes conditions. L'émission monomode a été réalisée en employant un réseau d'ordre deux enterré. Une émission sans saut de mode peut être observée dans une large plage de température de 15 à 105 °C en mode OC. Les angles de divergence sont de 22,5° et 1,94° dans la direction de la largeur de crête et de la longueur de cavité, respectivement. La puissance optique maximale en fonctionnement OC était de 2,4 mW à 25 °C, ce qui est suffisant pour les applications de spectroscopie.

Contexte

Ces dernières années, les lasers à cascade quantique (LCQ) ont connu un développement rapide et sont devenus la source la plus prometteuse dans la région du milieu infrarouge. Bénéficiant de leur haute puissance, fonctionnement monomode et taille compacte, les LCQ DFB ont été largement utilisés dans de nombreuses applications telles que la détection de gaz traces, la communication en espace libre, et l'analyse de substances. Cependant, le désavantage restant des LCQ est leur dissipation de puissance électrique élevée, qui a limité leur application dans certains systèmes portables et hautement intégrés. Pour diminuer la dissipation de puissance, la méthode la plus directe est de réduire la taille géométrique du dispositif, comme raccourcir la cavité et rétrécir la crête. Le revêtement à haute réflectivité (HR) est aussi très efficace pour réduire la perte par miroir. Certaines études ont été menées pour réduire la dissipation de puissance de seuil des LCQ Fabry-Perot (FP) en utilisant une cavité courte et en déposant un revêtement HR ou un revêtement à haute réflectivité partielle (PHR) sur les facettes, dans lesquelles une puissance dissipée aussi basse que 1,2 W à 22 °C et 0,83 W à 25 °C ont été démontrées par A. C. Richard et al. et Y. Bai et al., respectivement. Ces méthodes pourraient aussi être appliquées aux dispositifs DFB. En 2014, Ryan M. Briggs et al. ont rapporté un LCQ DFB monomode émettant à 4,8 µm avec une consommation de puissance de seuil OC de 0,76 W et une puissance optique maximale d'environ 17 mW à 20 °C. En 2015, A. Bismuto et al. ont démontré des LCQ DFB monomode à cavité courte, crête étroite émettant à 4,5 µm avec une puissance dissipée de seuil OC aussi basse que 0,5 W à 20 °C. 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 basse période ont aussi été étudiées. Pour les LCQ à émission par le bord, le revêtement HR est communément déposé sur la facette arrière et laisse la facette avant non revêtue ou revêtue PHR pour réduire la perte par miroir tout en maintenant la puissance optique émise par la facette avant. Au lieu de cela, les deux facettes peuvent être revêtues HR pour l'émission substrat afin de réduire davantage la perte par miroir puisque la lumière est émise par le substrat au lieu de la facette avant. De plus, des distributions de champ lointain améliorées peuvent être attendues des LCQ à émission substrat. Selon notre travail récent, un LCQ DFB à émission substrat avec une dissipation de puissance de seuil basse de 1,27 W à 20 °C a été obtenu en déposant un revêtement HR sur les deux facettes. La région active dans la Ref [14] consiste en 40 périodes de super-réseau, et la tension de seuil est d'environ 13 V. Une tension de seuil plus basse, et donc une dissipation de puissance de seuil plus basse, peut être attendue si le nombre de périodes de la région active est diminué. La longueur de cavité de 1 mm pourrait aussi être raccourcie davantage en concevant correctement le réseau d'ordre deux enterré pour diminuer la dissipation de puissance de seuil.

Dans le présent travail, un LCQ DFB à émission substrat à consommation d'énergie ultra-faible a été développé. La dissipation de puissance de seuil fonctionnant en mode OC est aussi basse que 0,4 W à 15 °C et 0,43 W à 25 °C en raccourcissant la longueur de cavité à 0,5 mm et en déposant un revêtement HR sur les deux facettes. La puissance optique maximale en mode OC est de 2,4 mW à 25 °C, ce qui est suffisant pour les applications de spectroscopie. L'émission monomode a été réalisée en employant un réseau d'ordre deux enterré. Les angles de divergence sont de 22,5° et 1,94° à mi-hauteur (FWHM) dans la direction de la largeur de crête et de la longueur de cavité, respectivement. La distribution de champ lointain à double lobe dans la direction de la longueur de cavité indique que le mode anti-symétrique est favorisé. Ces dispositifs peuvent fonctionner en mode OC sans saut de mode dans une large plage de température de 15 à 105 °C et seront très adaptés aux applications portables hautement intégrées.

Méthodes

La région active du dispositif était basée sur un design à deux phonons résonants compensés en contrainte émettant à ~ 4,6 µm. Le wafer a été cultivé sur un substrat InP n-dopé (Si, 2 × 10¹⁷ cm⁻³) par épitaxie par faisceau moléculaire à source solide (MBE). Trente étages de puits quantiques In₀,₆₇Ga₀,₃₃As/In₀,₃₆Al₀,₆₄As et barrières étaient inclus dans le cœur actif, qui était similaire à la Ref. [15]. La séquence de couches entière était la suivante : couche de revêtement inférieure de 1,2 µm d'épaisseur (Si, 2,2 × 10¹⁶ cm⁻³), couche n-In₀,₅₃Ga₀,₄₇As de 0,3 µm d'épaisseur (Si, 4 × 10¹⁶ cm⁻³), 30 étages actifs/injecteurs, couche n-In₀,₅₃Ga₀,₄₇As de 0,3 µm d'épaisseur (Si, 4 × 10¹⁶ cm⁻³), et couche de guidage d'onde supérieure. Pour fabriquer le réseau enterré, la couche de guidage d'onde supérieure a été retirée jusqu'à la couche InGaAs supérieure. Le réseau d'ordre deux avec une période de Λ = 1,42 µm (cycle de service σ = 0,45, profondeur d = 130 nm) a été défini sur la couche InGaAs supérieure de 0,3 µm d'épaisseur par technologie de lithographie holographique et gravure chimique humide. La Figure 1a montre l'image au microscope électronique à balayage (MEB) du réseau d'ordre deux enterré. Après cela, une couche InP faiblement dopée de 3 µm d'épaisseur (Si, 2,2 × 10¹⁶ cm⁻³) suivie d'une couche InP à dopage progressif de 0,15 µm (Si, de 1 × 10¹⁷ à 3 × 10¹⁷ cm⁻³) et une couche de revêtement InP hautement dopée de 0,4 µm (Si, 5 × 10¹⁸ cm⁻³) ont été accomplies en séquence comme revêtement supérieur par épitaxie en phase vapeur organométallique (MOVPE).

a L'image MEB du réseau enterré et b le coefficient de couplage simulé et la force de couplage du réseau d'ordre deux enterré avec COMSOL

Suite à la mise en œuvre de la repousse, le wafer a été gravé en structure de guide d'onde à double canal avec une largeur de cœur moyenne de 7 µm. Ensuite, une couche SiO₂ de 450 nm d'épaisseur a été déposée 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 patronnée sur la couche SiO₂ de la crête, et le contact électrique a été fourni par une couche Ti/Au. Pour une meilleure dissipation de chaleur, une couche Au supplémentaire de 4 µm d'épaisseur a été électrodéposée. Avant le clivage réel, des simulations massives pour la conception du réseau d'ordre deux enterré ont été implémentées avec le logiciel d'éléments finis (COMSOL), similaire à la Ref. [16]. Après amincissement à 150 µm, le guide d'onde 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 dispositifs ont été revêtues HR par évaporation par faisceau d'électrons. Le revêtement HR consistait en Al₂O₃/Ti/Au/Al₂O₃ (200/10/100/120). Les dispositifs ont été montés épicouche vers le bas sur des dissipateurs en cuivre avec de l'indium comme soudure, puis connectés par fil à un plot de contact externe.

Les tests de dispositif ont été effectués sur une étage refroidisseur thermoélectrique (TEC) avec une thermistance régulant et surveillant la température du dissipateur. La puissance de sortie du LCQ a été mesurée par un détecteur thermopile calibré (Coherent, EMP1000) placé juste devant le dispositif avec un tube métallique collectant l'émission laser. Ensuite, le dispositif a été placé sur une étage rotative contrôlée par moteur pas-à-pas avec une résolution de 0,01° pour le test de distribution de 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 spectrale a été réalisée en utilisant un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) (Thermo Fisher Scientific, Nicolet 8700) avec une résolution de 0,25 cm⁻¹ en mode balayage rapide.

Résultats et Discussion

Le résultat de simulation COMSOL est montré en Fig. 1b. Selon le calcul, un coefficient de couplage de |κ| = 35,5 ~ 10,75 cm⁻¹ est obtenu pour le réseau enterré avec cycle de service de 0,35 ~ 0,45 et profondeur de gravure de 180 nm. La force de couplage g = |κ|L, où L est la longueur de cavité du LCQ. Pour obtenir une émission de surface efficace, une force de couplage de 1-2 est toujours requise. Pour un dispositif avec 1 et 0,5 mm de longueur de cavité, les forces de couplage simulées sont dans la gamme de 3,55 ~ 1,07 et 1,78 ~ 0,54 lorsque le cycle de service est 0,35 ~ 0,45. Par conséquent, la conception du réseau enterré est très essentielle pour les dispositifs à courte longueur de cavité.

D'un intérêt particulier est la caractérisation électrique. La courbe lumière-courant-tension (L-I-V) des dispositifs avec différentes longueurs de cavité est montrée en Fig. 2. Les lasers fonctionnaient en mode OC et la température du dissipateur était régulée par un contrôleur de température (Thorlabs, ITC-QCL-4000). Comme montré en Fig. 2a, le dispositif avec cavité de 1 mm présente un courant de seuil de 65 mA à 25 °C, correspondant à une densité de courant de seuil de 0,54 kA/cm² 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 pente est de 0,11 W/A. À haute température de 65 °C, la puissance optique maximale est encore supérieure à 5 mW. Pour un dispositif de longueur de cavité 0,5 mm, le courant de seuil et la dissipation de puissance sont réduits à 39 mA et 0,4 W à 15 °C, comme montré en Fig. 2b. La densité de courant de seuil est de 0,65 kA/cm². La puissance optique maximale de 2,8 mW est déduite lorsque la puissance électrique injectée est de 0,74 W. À 25 °C, le courant de seuil est légèrement augmenté à 41 mA, correspondant à une consommation de puissance de 0,43 W. Pour autant que nous sachions, c'est la consommation de puissance de seuil la plus basse des LCQ à la même température. La puissance optique maximale de ce dispositif est de 2,4 mW avec une dissipation de puissance de 0,76 W, ce qui est très capable pour certaines applications de capteurs hautement intégrés. À 35 °C, la puissance optique maximale est d'environ 1,9 mW. Ce dispositif peut fonctionner à une température aussi haute que 105 °C en mode OC, mais la puissance de sortie deviendra petite et trop difficile à détecter avec précision. Comparé aux travaux précédents dans les Ref [9,10,11], la puissance optique maximale de notre design n'est pas remarquable en raison du faible rendement de conversion électrique-optique du dispositif. Cela est inhérentement limité par la qualité du wafer d'épitaxie. De plus, le rendement de conversion électrique-optique maximal du dispositif à cavité 0,5 mm est de 0,32 % à température ambiante, inférieur à celui du dispositif à cavité 1 mm, c'est-à-dire 0,5 %.

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

La caractérisation spectrale des lasers est montrée en Fig. 3. Les deux dispositifs de 1 et 0,5 mm peuvent fonctionner en mode OC sans saut de mode dans une large plage de température de 15 à 105 °C. C'est la température de fonctionnement la plus élevée dans tous les LCQ à faible consommation de puissance. Une telle température de fonctionnement élevée est principalement bénéficiée de la perte par 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 y a une petite différence entre les régimes spectraux des deux dispositifs à la même plage de température, ce qui est probablement causé par le processus de lithographie et gravure non uniforme du réseau. Le rapport de suppression de mode latéral (SMSR) du dispositif est d'environ 25 dB. La bonne capacité de réglage linéaire, le monomode et la haute température de fonctionnement de ces dispositifs les rendent très utiles dans certaines applications réelles telles que la détection de gaz traces.

Les spectres d'émission des dispositifs a 0,5 et b 1 mm longueur de cavité

La distribution de champ lointain d'un dispositif 0,5 mm est montrée en Fig. 4. Dans la direction de la largeur de crête, un motif à lobe unique avec un angle de divergence de 22,5° (FWHM) est observé, comme montré en Fig. 4a. La Figure 4b montre le motif de champ lointain dans la direction de la longueur de cavité. Le motif de champ lointain indique que le mode anti-symétrique est favorisé, ce qui est causé par les non-uniformités du clivage manuel et les réflexions résiduelles des facettes. Le mode symétrique peut être obtenu par l'utilisation d'un réseau de réflecteur de Bragg distribué (DBR) des deux côtés de la région de réseau DFB pour éliminer les réflexions de facettes clivées non contrôlées.

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

Conclusions

Nous avons développé un LCQ DFB à émission substrat avec une dissipation de puissance de seuil ultra-faible de 0,43 W à 25 °C fonctionnant en mode OC en raccourcissant la longueur de 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 d'ordre deux enterré. Les angles de divergence sont de 22,5° et 1,94° dans la direction de la largeur de crête et de la longueur de cavité, respectivement. La caractéristique de faible consommation du dispositif pourrait en faire une source lumineuse prometteuse dans certains systèmes portables alimentés par batterie.

Abréviations

OC :

Onde continue

DFB :

Rétroaction distribuée

FP :

Fabry-Perot

FTIR :

Infrarouge à transformée de Fourier

FWHM :

Largeur à mi-hauteur

HR :

Haute réflectivité

MBE :

Épitaxie par faisceau moléculaire

MOVPE :

Épitaxie en phase vapeur organométallique

PECVD :

Dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma

PHR :

Haute réflectivité partielle

LCQ :

Laser à cascade quantique

MEB :

Microscope électronique à balayage

SMSR :

Rapport de suppression de mode latéral

TEC :

Refroidisseur thermoélectrique