Sauts de mode inhabituels vers les courtes longueurs d'onde dans les lasers à cascade quantique DBR de haute puissance

Résumé

Nous rapportons des sauts de mode inattendus vers les courtes longueurs d'onde dans des lasers à cascade quantique (QCL) à réflecteur de Bragg distribué (DBR) émettant près de 7,6 µm. Les dispositifs à deux sections — gain et section de Bragg non pompée — délivrent >0,6 W en onde continue à température ambiante. Contrairement à la dérive conventionnelle vers les longues longueurs d'onde avec l'augmentation de la température ou du courant d'injection, le mode laser saute occasionnellement vers une longueur d'onde plus courte. L'analyse modale montre que les changements d'indice de réfraction induits par la température décalent les modes longitudinaux plus rapidement que le pic de Bragg, conduisant aux transitions observées.

Introduction

Les lasers à cascade quantique diffèrent des lasers à semi-conducteurs conventionnels en opérant sur des transitions inter-sous-bandes dans la bande de conduction, permettant l'émission dans l'infrarouge moyen à lointain. Leur large couverture spectrale les rend indispensables pour la détection de gaz, la spectroscopie haute résolution et la surveillance industrielle. Cependant, de nombreuses applications requièrent une largeur de raie étroite et une haute puissance de sortie. Les QCL à rétroaction distribuée (DFB) et à cavité externe (EC) fournissent typiquement un fonctionnement monomode mais sont limités à ~100 mW de sortie et des plages d'accordage étroites. Un QCL DBR offre une plateforme compacte pour l'émission monomode de haute puissance, mais son comportement spectral détaillé est resté sous-exploré. Ici, nous présentons des QCL DBR et investiguons en profondeur le saut de mode anormal.

Méthodes

Le réseau DBR a été défini via interférométrie holographique à double faisceau. Le dispositif comprend une section de gain (L_G), une section DBR (L_DBR), et une gorge d'isolation de courant. Le cœur du QCL a été cultivé sur n-InP par épitaxie par faisceau moléculaire à source solide (MBE), utilisant 50 puits quantiques In₀,₅₈Ga₀,₄₂As/In₀,₄₇Al₀,₅₃As compensés en contrainte (voir la séquence d'épaisseur dans la source). Une couche de SiO₂ de 100 nm a été déposée sur la couche de confinement supérieure ; la région DBR a été gravée à une profondeur de ~130 nm, suivie de l'élimination du SiO₂. Le guide d'ondes supérieur a été recultivé par MOVPE, produisant un revêtement InP supérieur de 3 µm, une couche InP à dopage gradué de 0,15 µm, et une couche de contact InP hautement dopée de 0,85 µm. Le wafer a été traité en guide d'ondes à double canal (largeur du cœur ≈10 µm) avec InP:Fe semi-isolant pour l'isolation thermique et électrique. Une gorge d'isolation de courant de 200 µm (profondeur 1,1 µm) séparait les sections de gain et DBR. Après isolation au SiO₂, des contacts Ti/Au ont été déposés et une couche d'Au de 5 µm électroplaquée pour le dissipateur de chaleur. Les dispositifs (6 mm de long) ont été clivés en 4,3 mm de gain, 1,5 mm DBR, et 0,2 mm de régions d'isolation, puis soudés côté épicouche vers le bas sur un dissipateur de chaleur en diamant et un support en cuivre.

Résultats et Discussion

Les spectres d'émission ont été enregistrés avec un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (résolution 0,125 cm⁻¹). Les caractéristiques P-I-V ont été mesurées avec un détecteur thermopile calibré. Le laser était monté sur un support équipé d'une thermistance et d'un refroidisseur thermoélectrique pour contrôler la température du sous-support. La Figure 2a montre les spectres en onde continue à 1,005 I_th tandis que la température du dissipateur de chaleur variait de 20 °C à 70 °C par pas de 2 °C. L'encart de la Figure 2b trace le spectre à 24 °C sur une échelle logarithmique, révélant un rapport de suppression de mode latéral (SMSR) d'environ 25 dB. Contrairement aux QCL DFB conventionnels, qui décalent vers les longues longueurs d'onde linéairement avec la température ou le courant, nos dispositifs DBR présentent des sauts de mode anormaux vers les courtes longueurs d'onde à mesure que la température augmente. Pour expliquer ceci, nous avons examiné le mécanisme de sélection de mode. La Figure 3a affiche la courbe de gain de wafer mesurée et le profil de réflexion de Bragg calculé (98 % de réflectivité pour un réseau de 1,5 mm). Le schéma de la Figure 3b montre comment le gain, le pic de Bragg et les modes longitudinaux se décalent avec la température. Le pic de gain se déplace à -0,581 cm⁻¹ K⁻¹, tandis que le pic de Bragg se décale à -0,128 cm⁻¹ K⁻¹. Parce que le pic de Bragg reste du côté des courtes longueurs d'onde du gain, les modes longitudinaux, qui suivent le changement d'indice de réfraction, finissent par se déplacer plus vite que le pic de Bragg, forçant un saut de mode vers le mode longitudinal suivant disponible. Ceci explique les sauts anormaux observés. L'espacement des modes longitudinaux a été calculé à partir de la longueur de cavité effective : L_eff = (1/2κ) tanh(κL_DBR), où κ = (1/Λ)(Δn̄/n̄). Pour un DBR physique de 1,5 mm, L_eff ≈0,291 mm, donnant un espacement théorique de 0,328 cm⁻¹, en excellent accord avec les intervalles expérimentaux de 0,12 cm⁻¹ observés. La Figure 5 illustre le même phénomène avec l'augmentation du courant d'injection. Le premier saut anormal s'étend sur 0,904 cm⁻¹ (traversant trois modes), suivi d'un saut de 0,301 cm⁻¹. La courbe P-I montre des discontinuités nettes à chaque saut, un comportement absent dans les QCL DFB standards. La Figure 6 compare le laser DBR avec un laser Fabry-Pérot (FP) de 4 mm. Le FP atteint 987 mW, tandis que le DBR atteint 656 mW à 20 °C et 235 mW à 70 °C, la puissance monomode la plus élevée rapportée pour les QCL IR à longue onde. Les distributions de champ optique simulées (Figure 6b) révèlent que le DBR maintient une haute intensité dans la section de gain tout en atténuant rapidement dans le DBR, permettant un fonctionnement à cavité longue sans sur-couplage — un avantage sur les lasers DFB.

Conclusions

Nous avons démontré des QCL DBR de haute puissance avec >0,6 W de sortie en onde continue à température ambiante. L'analyse détaillée des sauts de mode anormaux vers les courtes longueurs d'onde fournit un aperçu de la dynamique de sélection de mode des dispositifs DBR. L'architecture DBR permet un fonctionnement monomode à cavité longue avec une extraction de puissance supérieure, la positionnant comme une plateforme prometteuse pour les applications laser de haute puissance dans l'infrarouge moyen.