Межзонный каскадный лазер непрерывного действия с внешним резонатором, функционирующий при комнатной температуре, с перестройкой длины волны от 3,2 до 3,6 мкм

Аннотация

В статье представлен отчет о возможности перестройки длины волны излучения в широком диапазоне у межзонных каскадных лазеров с внешним резонатором (EC-ICL), работающих в непрерывном режиме и при комнатной температуре. Чипы усиления ICL с антиотражающим покрытием настраивались при помощи дифракционной решетки в конфигурации Литтроу. При непрерывном излучении и температуре 293К  диапазон в 313 см^{– 1} (360 нм) между 2789 см^-1 и 3102 см⁻¹ (3,22–3,58 мкм) был получен на чипе усиления шириной 5 мкм и длиной 1,5 мм. Максимальная выходная мощность 13 мВт и минимальный пороговый ток 62 мА были измерены при пиковом усилении. Мощность выделяемого тепла составила 0,2 Вт при пороговом значении тока и 0,8 Вт при максимальном токе 200 мА.

Введение

Спектральный диапазон 3-4 мкм, находящийся в средней инфракрасной области, важен для химического зондирования, потому что он соответствует основной вращательно-колебательной полосе поглощения C-H. Существование перестраиваемых полупроводниковых лазеров с узкой шириной линии в этом диапазоне длин волн открывает возможности для реализации компактных, чувствительных и селективных датчиков для обнаружения следов основных углеводородов: метан (CH4), этан (C2H6), пропан (C3H8), этилен (C2H4), пропен (C3H6) и ацетилен (C2H2). В частности, количественное определение алканов от C1 до C4 (т. е. метана, этана, пропана и бутана) представляет большой интерес для нефтехимической промышленности для нескольких приложений, включая анализ состава природного газа или биогаза, измерение тепловой энергии (измерение британской тепловой единицы - BTU) и обнаружение утечек из трубопроводов и нефтеперерабатывающих заводов.

Поскольку спектры более тяжелых углеводородов широки и сильно перекрываются, для них требуется больший диапазон перестройки, чтобы различать их. Рассмотрим далее некоторые типы лазеров, позволяющие получить такой диапазон перестройки.

Поверхностно-излучающий лазер с вертикальным внешним резонатором из халькогенида свинца (VECSEL) с оптической накачкой. Он был разработан и применен для обнаружения углеводородов на центральной длине волны 3,3 мкм и имеет диапазон перестройки 150 см^–1. Однако эти устройства работают только в импульсном режиме и излучают относительно низкую пиковую мощность (обычно ~ 20 мВт при скважности ≤ 0,1%).

Для квантово-каскадного лазера с внешним резонатором (EC-QCL) была достигнута широкополосная перестройка – более 559 см^-1 в диапазоне длин волн от 3,3 до 4,0 мкм. Результаты работы лазера в импульсном режиме получены при 249 K с использованием гетерогенных каскадных активных зон. В то время как EC-QCL излучают значительно более высокую среднюю мощность, чем вышеупомянутые VECSEL, и работа в непрерывном режиме была продемонстрирована на более длинных длинах волн, их характеристики быстро снижаются на длинах волн ниже ~ 3,5 мкм из-за утечки носителя.

Лазеры QCL InAs/AlSb продемонстрировали диапазон перестройки 85 нм (81 см^-1) на центральной длине волны 3,2 мкм. Это достигнуто при сильном смещении зоны проводимости в импульсном режиме и при комнатной температуре.

На каскадных диодных лазерах с квантовыми ямами I типа и внешним резонатором диапазон перестройки составил 200 см^–1 на центральной длине волны 3,15 мкм, при мощности излучения в несколько миливатт. Однако эти лазеры практически бесполезны, т.к. для них доступны длины волн менее 3,25 мкм.

В статье рассмотрены лазеры EC-ICL – каскадные лазеры на межзонных переходах с внешним резонатором. Каскадные лазеры на межзонных переходах представляют собой полупроводниковые лазеры, в которых свет образуются за счет электронных переходов между валентной зоной и зоной проводимости в квантовой яме, как и в диодных лазерах, а оптическое усиление и выходная мощность увеличиваются за счет суммирования последовательно включенных активных квантовых ям, как в квантовых каскадных лазерах. ICL II типа на основе квантовых ям InAs/GaInSb на подложке GaSb работают в непрерывном режиме при комнатной температуре и выше в диапазоне 3-4 мкм. Им характерна высокая эффективность преобразования энергии из электрической в оптическую и низкое тепловыделение. Непрерывное излучение с максимальной мощностью 4 мВт при комнатной температуре имело диапазон перестройки 110 см^-1 на длине волны 3,2 мкм. EC-ICL характеризуется широким диапазоном перестройки, средней мощностью в диапазоне мВт, низким тепловыделением, непрерывной работой при комнатной температуре и полным покрытием диапазона длин волн 3-4 мкм, что дает данной технологии преимущество перед вышеупомянутыми лазерными технологиями.

Лазерное изготовление

5-уровневая активная среда усиления основана на квантовых ямах типа II «W» InAs/GaInSb/InAs и была разработана для излучения на длине волны 3,3 мкм. Для уменьшения рассеивания тепла при комнатной температуре был выбран n-уровень легирующего элемента. Оболочки выполнены из сверхрешеток InAs/AlSb (2,43/2,30 нм). Структура эпитаксиального волновода, начиная с подложки, следующая: нижняя оболочка (InAs/AlSb SL, 2600 нм), нижний отдельный ограничивающий слой (SCL: GaSb, 500 нм), активная область (240 нм), верхний ограничивающий слой (SCL: GaSb, 500 нм), верхняя оболочка (InAs / AlSb SL, 1890 нм), контактный слой (InAs, 20 нм). Области сверхрешеток InAs/AlSb и GaSb соединены чирпированной сверхрешеткой InAs/AlSb толщиной 20 нм, переходные области, а также области InAs и InAs /AlSb соединены между собой чирпированной сверхрешеткой InAs/AlSb. 

Структура была выращена методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) на 3-дюймовой подложке GaSb, легированной Te (n = 5·10¹⁷ см⁻³). Длина волны излучения найдена путем измерения спектров электролюминесценции меза-образцов. Как и рассчитывалось пиковая длина волны была 3,3 мкм. Полная ширина спектра электролюминесценции на уровне 80% от максимума (FW0.8M) была 345 нм (324 см^-1).

Выращенная эпи-пластина обрабатывалась в лазерах с гребенчатым волноводом шириной от 4 до 25 мкм. Гребни образовывали методом сухого травления. Мы протравили всю активную область и остановились в нижнем ограничивающем слое, чтобы предотвратить распространение тока (см. рис. 1). Согласно нашему моделированию оптических мод, требуется ширина гребня w ≤ 3 мкм для того, чтобы волновод мог поддерживать только одну поперечную моду.

Рисунок 1. Изображение гребневого волновода ICL шириной 7 мкм, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа

Тем не менее, наклон боковой стенки в 55° из-за процесса сухого травления ограничил минимальную ширину гребня до w=4 мкм. Экспериментальные результаты, представленные в этой статье, показывают, что этого значения достаточно для достижения устойчивой однопоперечной моды во внешнем резонаторе. Пластина была разрезана на бруски. Антибликовое (AR) покрытие было нанесено на одну грань для улучшения эффективности внешней полости, а защитное покрытие было нанесено на другую грань для предотвращения старения. Коэффициент отражения просветляющего покрытия был определен как 0,03% при 3,4 мкм путем экстраполяции результатов измерений коэффициента отражения на кремниевом образце. Затем эти бруски разделялись на микрочипы и прикреплялись эпитаксиальной стороной вверх к медным креплениям с In припоем.

Режим свободных колебаний

Чтобы оценить производительность созданных устройств, мы установили и согласовали лазеры Фабри-Перо (FP), работающие в режиме свободных колебаний, с обработанными гранями микрочипов. Измеренная выходная мощность и напряжение в зависимости от тока (характеристики LIV) представлены на рисунке 2. Были использованы микрочипы шириной 10 мкм и длиной 1,5 мм в непрерывном лазерном излучении при различных температурах от 253 K (-20 °C) до 323 K (+ 50 °C). Максимальная выходная мощность в непрерывном режиме составляет 63 мВт на грань при 253 К и 28 мВт на грань при 293 К. Пороговая плотность тока J равна 380 А/см² при 253 К и 620 А/см² при 293 K. Эффективность преобразования энергии (WPE) для излучения от двух граней составляет 8,4% при 253 K и 5,1% при 293 K.

Рисунок 2. Измеренные непрерывно-волновые LIV-характеристики FP ICL шириной 10 мкм и длиной 1,5 мм при различных температурах от 253K до 323 K

Сопоставляя температурные зависимости между 253 K и 323 K и экспоненциальными функции, мы находим характерные температуры T0 = 63 K и T1 = 86 K для порогового тока и дифференциальной эффективности соответственно. Мы ожидаем, что сможем улучшить температурную стабильность и увеличить максимальную рабочую температуру в будущих производственных партиях, добавив толстый слой гальванического золота для улучшения рассеивания тепла.

Работа лазера с внешним резонатором

Для достижения настраиваемой одномодовой работы пучок, испускаемый с задней грани, покрытой просветляющим покрытием, микрочипа ICL шириной 5 мкм и длиной 1,5 мм, коллимировался с помощью асферической линзы с большой числовой апертурой (NA = 0,85, эффективное фокусное расстояние EFL=1,873 мм). Дифрагированный пучок первого порядка от дифракционной решетки 450 штр / мм в конфигурации Литтроу обеспечивал селективную по длине волны оптическую обратную связь. Расстояние между гранью чипа и дифракционной решеткой составляло ∼40 мм. Выходной пучок, излучающийся передней гранью, коллимировался идентичной асферической линзой. Выходная мощность измерялась откалиброванным детектором на термопаре, а спектр излучения измерялся с помощью инфракрасного спектрометра с преобразованием Фурье (FTIR) с разрешением 0,125 см^-1. 

Измеренные спектры излучения в непрерывном режиме при комнатной температуре (293 K) показаны на рисунке 3. Мы наблюдали одномодовый режим в диапазоне настройки 313 см⁻¹ (360 нм) от 2789 см⁻¹ до 3102 см⁻¹ (3,22–3,58 мкм) путем регулировки угла решетки от 46,50° до 53,75°. Когда угол был установлен за эти пределы, спектр становился многомодовым, как при режиме свободных колебаний. Диапазон настройки электропроводности сравним с FW0.8M спектра электролюминесценции. На рисунке 4 показан один из одномодовых спектров излучения в логарифмическом масштабе. Небольшие пики ∼52 см⁻¹ от основного пика являются артефактами спектрометра. В пренебрежении ими коэффициент подавления боковых мод (SMSR) составляет > 35 дБ.

Рисунок 3. Измеренные спектры излучения EC-ICL в непрерывном режиме при 293 K при различных углах дифракционной решетки

Измеренная непрерывная выходная мощность EC-ICL как функция эмиссионного волнового числа при постоянном токе I = 150 мА при 293 K показана на рисунке 5. Выходная мощность составляет ≥ 1 мВт в большей части диапазона настройки (> 310 см^-1) с максимумом 9 мВт вблизи центральной длины волны 3,4 мкм.

Измеренные LIV-характеристики EC-ICL при различных длинах волн излучения показаны на рис. 6. Пороговый ток достигает минимального значения 62 мА (пороговая плотность тока = 825 А/см2) при волновом числе излучения 2934 см^-1, т.е. вблизи центральной длины волны 3,4 мкм, и монотонно увеличивается к краям диапазона перестройки, поскольку оптическое усиление уменьшается. Максимальная выходная мощность достигает 13 мВт при токе 192 мА при 2891 см^-1.

Рисунок 4. Спектр в логарифмическом масштабе в непрерывном режиме при токе 150 мА и температуре 293K, показывающий высокий коэффициент подавления боковых мод

Рисунок 5. Измеренная выходная мощность в непрерывном режиме как функция волнового числа излучения EC-ICL при токе 150 мА и температуре 293 К

Тепло, рассеиваемое лазером, составляет 0,19 Вт при минимальном пороге и 0,79 Вт при максимальном токе 200 мА. При токе 150 мА тепловыделение составляет 0,56 Вт.

Модуляция, которая накладывается на стандартную линейную характеристику кривых зависимости выходной мощности от тока, происходит из-за скачков мод. Когда ток увеличивается, показатель преломления чипа усиления изменяется, в то время как расстояние между чипом и решеткой остается постоянным. В результате относительная фаза парциальных лучей, отраженных гранью с просветляющим покрытием и решеткой, изменяется, что приводит к скачкам мод. Такое же поведение наблюдалось и в непрерывных квантово-каскадных лазерах с внешним резонатором.

Рисунок 6. LIV-характеристики EC-ICL на различных длинах волн излучения

Выводы

В статье было рассказано о межзонном каскадном лазере с внешним резонатором (EC-ICL) с диапазоном перестройки 313 см^-1 (360 нм), то есть 10,6% от центральной длины волны 3,4 мкм в непрерывном режиме при комнатной температуре.

Выходная мощность составляет ≥ 1 мВт во всем диапазоне перестройки с максимумом 13 мВт на центральной длине волны, а тепловыделение составляет 0,8 Вт. Спектры FTIR демонстрируют превосходную спектральную чистоту с SMSR> 35 дБ. Эти результаты демонстрируют увеличение диапазона перестройки и выходной мощности в 3 раза по сравнению с предыдущим уровнем.

Высокая производительность и широкий спектральный охват от 3,2 до 3,6 мкм EC-ICL лазеров делают их очень интересным вариантом для обнаружения и анализа углеводородов. Непрерывный режим работы позволяет реализовать перестройку без скачков мод, с помощью регулировки длины резонатора при изменении угла решетки.

© Alpes Lasers

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по поставке лабораторного и научного оборудования производства Alpes Lasers на территории РФ