InAs / GaAs квантовый двухрежимный лазер с распределенной обратной связью для применения в терагерцовом диапазоне непрерывных волн с большим диапазоном настройки

Фон

Лазеры с распределенной обратной связью (DFB) имеют технологическое значение для широкого спектра их применения в оптоволоконной связи на большие расстояния и терагерцовом (ТГц) излучении из-за их узкого спектра излучения и стабилизированной длины волны излучения [1,2,3]. За последнее десятилетие были предприняты большие усилия и различные попытки разработать высокоэффективные DFB-лазеры, и DFB-лазеры на основе квантовых точек (КТ) продемонстрировали такие полезные характеристики, как низкий пороговый ток, высокая квантовая эффективность, широкополосный диапазон настройки длины волны и высокотемпературная стабильность по сравнению с коммерческими приборами на основе квантовых ям [4,5,6]. Модуляционное p-легирование в лазерных структурах с квантовыми точками было продемонстрировано как эффективный метод для дальнейшего улучшения характеристик лазера на КТ, включая температурную стабильность [7] и характеристики высокоскоростной модуляции [8], благодаря значительно улучшенному основному состоянию (GS). усиление. Кроме того, также было обнаружено, что быстрый термический отжиг (RTA) является еще одним эффективным способом оптимизации качества материала и оптических свойств сборок с квантовыми точками благодаря уменьшению точечных дефектов и дислокаций, которые образуются во время эпитаксии. Обычный процесс изготовления DFB-лазера обычно требует двух этапов высококачественного эпитаксиального роста [9]. Stubenrauch et al. сообщил о производстве 1,3-мкм лазера на квантовых точках DFB, который демонстрирует высокие статические и динамические характеристики; однако после изготовления структуры брэгговской решетки и эпитаксиального роста нижнего слоя оболочки и активной области требуется этап повторного эпитаксиального повторного роста металлоорганического парофазного осаждения (MOCVD) для завершения всей лазерной структуры, что приводит ко многим сложным и неопределенным факторам [ 1]. Чтобы избежать повторного роста, Goshima et al. предложила лазерную структуру на основе квантовых точек с боковой распределенной обратной связью (LC-DFB), которая была реализована путем глубокого травления решетки по вертикали в гребневом волноводе, но с низкой эффективностью наклона ниже 0,03 Вт / A и малым коэффициентом подавления боковых мод (SMSR) 20 дБ наблюдались из-за больших потерь в волноводе [10]. Потери в волноводе в основном связаны с процессом глубокого травления, с помощью которого очень сложно реализовать высококачественную и однородную решетчатую структуру из-за технических проблем, связанных с требованием высокого соотношения сторон (обычно 20:1) в процессе сухого или влажного травления. [11]. Итак, чтобы реализовать сверхвысокопроизводительный DFB-лазер, необходимо найти способ объединения оптимизированной активной области КТ с улучшенной волноводной структурой устройства.

Источники излучения терагерцового (ТГц) диапазона привлекают значительное внимание в связи с их успешными применениями в медицине, сельском хозяйстве, окружающей среде и безопасности [12, 13], а также тем, что непрерывно-волновой (CW) режим источника терагерцового излучения с перестраиваемой частотой (CW) работает с компактными размерами и малыми габаритами. стоимость особенно желательна. В последнее время были изучены различные полупроводниковые двухмодовые лазеры с целью разработки источника оптических биений для ТГц фотомиксирования. Широкая перестройка частоты была продемонстрирована с помощью лазеров с внешним резонатором, которые одновременно излучают две линии с разными длинами волн [14, 15]. Однако механические движущиеся части в лазерной системе с внешним резонатором не являются ни удобными, ни стабильными для настройки длины волны. Сигналы CW THz также могут быть сгенерированы с помощью двух независимых лазерных лучей DFB с немного разными частотами. Этот метод оказался отличным выбором для генерации ТГц излучения, используя очень узкий спектр излучения и стабилизированную длину волны излучения DFB-лазерных диодов [3,16,17,18]. Помимо описанных конфигураций для ТГц фотосмешения, одновременное излучение двух перестраиваемых лазерных линий из одного резонатора DFB-лазера очень привлекательно благодаря его компактности, высокотемпературной стабильности и высокому спектральному качеству [3, 19].

В данной работе множественные лазерные структуры InAs / GaAs с КТ были выращены методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), а активная область КТ была применена модулирующим легированием p-типа. После эпитаксии образцы КТ подвергались постростовому отжигу. Чтобы избежать стадии зарастания и уменьшить аспектное отношение при травлении решетки, лазер LC-DFB был изготовлен с мелко протравленными решетками. Лазеры LC-DFB с неглубоким травлением на основе p-легированных квантовых точек обладают высокой дифференциальной эффективностью 0,2 Вт / А, большим SMSR 47 дБ и высокой термической стабильностью dλ / dT 0,092 нм / K. Кроме того, с помощью лазеров LC-DFB была успешно получена двухмодовая генерация путем изготовления двух наборов решеток с разными периодами, а длинами волн генерации можно просто манипулировать, тонко изменяя периоды решеток, что позволяет настраивать частоту в большом диапазоне. разница двух режимов генерации от 0,10 до 14 ТГц. Наша работа демонстрирует многообещающие возможности применения лазеров LC-DFB на основе квантовых точек для волоконно-оптической связи на большие расстояния и источников непрерывного ТГц излучения.

Методы

Подготовка и определение характеристик материалов

Лазерные структуры InAs / GaAs с квантовыми точками были выращены на подложках GaAs (100), легированных Si, с помощью системы МЛЭ. Активная область лазерной структуры представляет собой восемь стопок слоев квантовых точек, разделенных барьерами GaAs толщиной 33 нм. Каждый слой квантовых точек состоит из 2.7 ML InAs, покрытых понижающим деформацию слоем InGaAs толщиной 6 нм. И вся активная область зажата слоями оболочки нижнего n-Al _0,3 размером ~ 2800 нм. Ga _0,7 Как и верхний ~ 1800 нм p-Al _0,3 Ga _0,7 В виде. Осаждение InAs при температуре роста 510 ° C и скорости роста 0,01 ML / s. Модулирующее p-легирование Be проводилось в слое толщиной 6 нм, расположенном в промежуточном слое GaAs на 10 нм под каждым слоем квантовых точек, и концентрация легирования контролировалась на уровне 25 акцепторов на точку. Изображение поперечного сечения слоев квантовых точек InGa / GaAs, полученное методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), показано на рис. 1а. Плотность квантовых точек InAs / GaAs определена равной 4 × 10 ¹⁰ см ⁻² методом атомно-силового микроскопа. Лечение RTA проводилось в N ₂ окружающего воздуха при температуре 700 ° C в течение 45 с. Во время отжига образцы КТ были защищены колпачком из GaAs.

Принципиальная схема и морфология лазерной структуры LC-DFB квантовых точек InAs / GaAs. а Принципиальная схема структуры InAs / GaAs QD LC-DFB-лазера. На вставке:ПЭМ-изображение поперечного сечения структуры активного слоя КТ. б СЭМ-изображение лазерной структуры LC-DFB с решеткой первого порядка, вид сверху. Врезка:увеличенное изображение, полученное с помощью SEM, фокусируется на стыке решетки и гребневого волновода

Дизайн, изготовление и характеристика LC-DFB

Принципиальная схема разработанной лазерной структуры LC-DFB представлена ​​на рис. 1а. Такой подход к проектированию позволяет изготавливать лазеры LC-DFB всего за один цикл эпитаксиального роста и снижает аспектное отношение при травлении оптической решетки. Формирование узкого гребневого волновода и его поперечно связанной решетчатой ​​структуры делится на два этапа обработки, которые отличаются от традиционного процесса литографии [1, 9, 10]. Изготовление решетки с боковым соединением требует неглубокого травления, что снижает высокое соотношение сторон при сухом травлении, требуемое традиционным подходом к глубокому травлению. Более того, протравливание решеток в полупроводники всего на сотню нанометров позволяет легко реализовать решетчатую структуру с очень маленькими размерами элементов, такими как решетка первого порядка, и, следовательно, дает новую возможность для разработки оригинальной конструкции устройства для приложений ТГц диапазона.>

Что касается принципа связи LC-DFB, хорошо известно, что близость решеток к выступу является ключевым фактором, который сильно влияет на характеристики лазера [20]. В процессе изготовления после того, как гребенчатый волновод впервые определен, образец для электронно-лучевой литографии (ЭЛЛ) имеет разность высот по отношению к волноводу, и фоторезист будет складываться в сторону боковой стенки во время ЭЛС, что затрудняет изготовление формирование решетки, примыкающей к гребню. Чтобы решить проблему неоднородного покрытия фоторезиста и сформировать высококачественную решетку с рисунком EBL, толщина полиметилметакрилатного (ПММА) резиста была тщательно выбрана так, чтобы она составляла 75 нм, что оптимизировано для обеспечения качества решетки. чтобы достичь точки равновесия. Лазер LC-DFB был изготовлен с помощью следующих процедур. Во-первых, 75-нм SiO ₂ слой был нанесен поверх структуры эпитаксии с использованием плазменного химического осаждения из паровой фазы (PECVD), который действует как слой защиты от травления для неглубокого травления решеток. Структура гребневого волновода была сформирована с помощью оптической литографии и протравлена ​​на глубину около 1,75 мкм с использованием метода индуктивно связанной плазмы (ICP) с газовой смесью Cl ₂ и BCl ₃ . После определения структуры волновода верхний слой оболочки AlGaAs на стороне p подвергался дальнейшему травлению путем влажного травления, которое прекращалось на ~ 280 нм над активными областями квантовых точек. После этого на образец центрифугировали резист ПММА (молекулярная масса 950 К и толщина 75 нм) и прокаливали в течение 90 с при 180 ° C. Решетка первого порядка была определена рядом с гребневым волноводом с помощью EBL, а затем изображение резиста было перенесено в AlGaAs с помощью сухого травления ICP. Скорости травления резиста из ПММА и AlGaAs составляли приблизительно 5 нм / с и 10 нм / с соответственно. Изображение изготовленной структуры LC-DFB, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM), показано на рис. 1b. Благодаря тщательному выбору экспозиционной дозы ЭЛС и значительному облегчению укладки фоторезиста за счет тонкого резиста, решетки плотно связаны с гребневым волноводом лазера, как показано на вставке на рис. 1b. Глубина травления решетки 135 нм, период решетки 194 нм. Для достижения точно и широко настраиваемой двухволновой генерации были изготовлены два различных периода Брэгга для боковых решеток на двух сторонах гребневого волновода. Слой омического контакта на гребневом волноводе был полностью защищен слоем SiO ₂ толщиной 75 нм. защитный слой, обеспечивающий сохранение омического контакта во время процесса травления ICP. Решетка с мелким травлением находилась на 150 нм выше активного диапазона квантовых точек для обеспечения хорошего взаимодействия со светом. Еще один слой SiO ₂ для изоляции и выравнивания поверхности. наносился на образец с помощью PECVD после травления решеток. Наконец, для открытия контактного окна в SiO ₂ использовалось сухое травление с реактивным ионным травлением (RIE). . Затем были нанесены Ti / Au и Au / Ge / Ni / Au для образования верхнего и нижнего омических контактов соответственно. Подложки были утонены примерно до 80 мкм, чтобы минимизировать эффект самонагрева. Изготовлены лазерные резонаторы длиной 1 и 0,45 мм, излучающие грани не покрывались. Лазерные стержни были установлены стороной p вверх на медный радиатор, и все измерения проводились в непрерывном режиме.

Результаты и обсуждение

На рис. 2а показана типичная вольт-амперная характеристика (ВАХ) готового LC-DFB-лазера на основе структуры КТ с множественной модуляцией, легированной p-легированием. Лазер демонстрирует очевидную высокую дифференциальную эффективность 0,20 Вт / А и низкий порог 33 мА, что свидетельствует о высоком качестве материала и высоком оптическом усилении структуры КТ. Пороговая плотность тока и дифференциальная эффективность по температуре для нелегированного и p-легированного лазера на КТ LC-DFB представлены на рис. 2b, c соответственно. Характерная температура для пороговой плотности тока ( T ₀ ), равная 52,3 K, рассчитана для лазера с нелегированным QD LC-DFB, как показано на рис. 2b, в то время как T ₀ для p-легированного лазера на КТ LC-DFB имеет значительное увеличение, особенно в диапазоне температур от 15 до 50 ° C, в котором бесконечное значение T ₀ наблюдается. Более того, в этом диапазоне температур дифференциальная эффективность почти не ухудшается (2,6% деградации для нелегированного лазера с КТ LC-DFB), что указывает на бесконечную характеристическую температуру для дифференциальной эффективности ( T ₁ ) для лазера LC-DFB, легированного p-примесью. Большая разница между T ₀ и T ₁ между нелегированным и p-легированным лазером LC-DFB в основном объясняется эффектами, вызванными встроенными избыточными дырками из-за модуляции p-легирования, которое может значительно замедлить тепловое уширение дырок на близко расположенных энергетических уровнях [21, 22 ]. На основании приведенных выше результатов для дальнейшей характеристики спектров генерации был выбран лазер LC-DFB с квантовыми точками, легированный p-примесью.

Вольт-амперная и температурная зависимость LC-DFB-лазера. а ВАХ лазера LC-DFB, легированного p-примесью, при КТ. б Температурные зависимости пороговой плотности тока для нелегированных и p-легированных лазеров LC-DFB. c Температурные зависимости дифференциальной эффективности нелегированных и p-легированных LC-DFB лазеров

На вставке к рис. 3 показан спектр излучения лазера LC-DFB, легированного р-типа, с длиной резонатора 1 мм, измеренной при I =2 Я _th Можно наблюдать уровень инжекции при комнатной температуре (RT) и генерацию одиночной продольной моды на длине волны 1292,4 нм с очень большим SMSR 47 дБ. На рис. 3 показана зависимость длины волны излучения от рабочей температуры лазера LC-DFB, легированного p-примесью, которая показывает скорость изменения всего 0,092 нм / K. Высокотемпературная стабильность длины волны генерации находится в хорошем соответствии с температурным коэффициентом показателя преломления, который примерно в пять раз ниже, чем у сдвига усиления материала.

Температурная зависимость длины волны излучения. Вставка:спектр излучения лазера LC-DFB, легированного p-примесью, измеренный при 2 I . _th

Недавно Goshima et al. В [10] описан лазер InAs / GaAs QD LC-DFB с толщиной 1,3 мкм, изготовленный с помощью глубоких решеток, вертикально вытравленных в гребенчатую волноводную структуру, при этом наблюдались низкие значения дифференциальной эффективности ниже 0,03 Вт / A и небольшой SMSR в 20 дБ, которые являются в основном из-за больших потерь в волноводе, вызванных процессом глубокого травления. С мелкопротравленной решетчатой ​​структурой Briggs et al. [23] успешно создали лазеры LC-DFB на основе GaSb с большим SMSR 25 дБ. Но дальнейшее улучшение было ограничено более низким коэффициентом связи из-за большого расстояния между решетками и гребенчатым волноводом, что имеет решающее значение для производительности лазера LC-DFB. В нашей работе узкий гребенчатый волновод и решетчатые структуры были изготовлены отдельно, что привело к очень острой и гладкой боковой стенке гребневого волновода и, следовательно, к небольшим потерям в волноводе. Метод неглубокого травления для изготовления решеток, использованный в наших экспериментах, может резко уменьшить аспектное отношение вытравленных решеток и позволить изготавливать высококачественную решетчатую структуру первого порядка, которая обеспечивает хорошее взаимодействие со светом. Путем тщательного контроля толщины резиста из ПММА и параметров литографии ЭЛС эффект наложения фоторезиста за боковой стенкой выступов был эффективно уменьшен, что привело к образованию решеток, плотно прилегающих к гребневому волноводу лазера. Кроме того, высокая плотность точек ~ 4,3 × 10 ¹⁰ см ⁻² полученный путем оптимизации параметров роста эпитаксии с МЛЭ и высокого коэффициента усиления сборок квантовых точек, реализуемого модулирующим p-легированием и обработкой отжигом после выращивания, можно объяснить большим SMSR на 47 дБ нашего лазера LC-DFB.

Помимо широко распространенных применений, уже продемонстрированных в системах оптической передачи на большие расстояния и мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM), благодаря превосходным характеристикам узкого спектра излучения и высокой термической стабильности, лазеры LC-DFB также продемонстрировали преимущества для генерации непрерывного ТГц излучения. По сравнению с традиционным методом создания ТГц-излучения с использованием двух независимых диодных лазеров [24,25,26], LC-DFB-лазеры с одновременной эмиссией двух мод очень привлекательны для изготовления источников ТГц-излучения из-за экономической эффективности, компактности и компактности. высокая стабильность и высокое спектральное качество. В отличие от лазеров на квантовых ямах (КЯ), эмиттеры на основе КТ хорошо подходят для широкополосных перестраиваемых источников благодаря двум уникальным особенностям структур КТ. Во-первых, природа низкой плотности состояний приводит к легкому насыщению уровней GS, что приводит к дальнейшему заселению возбужденных состояний (ES). Во-вторых, изменение размера точки можно использовать для расширения диапазона настройки из-за того, что широкое распределение размеров самоорганизованного ансамбля квантовых точек приводит к широкому спектру излучения света, определяемому квантовым размерным эффектом.

Структура LC-DFB, состоящая из боковых решеток, изготовленных независимо, обеспечивает высокую гибкость в определении расчетной длины волны Брэгга. Двухволновая генерация может быть достигнута путем изготовления двух наборов решеток с разными периодами Брэгга Ʌ ₁ и Ʌ ₂ которые позволяют использовать две разные длины волн λ ₁ и λ ₂ . Описанный здесь метод включает определение двух разных периодов решетки для каждой стороны решетки. Измерения двухволновой генерации проводились в непрерывном режиме. Наблюдалась устойчивая двухволновая генерация с СМСР около 40 дБ. Как показано на рис. 4а, темно-голубая, синяя, красная и черная линии демонстрируют спектры генерации с двумя разными длинами волн генерации. Для лазера LC-DFB диаметром 1 мм с разностью периодов решетки Ʌ ₁ - Ʌ ₂ =0,10 нм, две длины волны генерации равны 1292,40 и 1292,90 нм соответственно, что дает интервал длин волн 0,50 нм, соответствующий разности частот ~ 0,10 ТГц. Настроив разность периодов решетки на 0,64 нм, расстояние между двумя длинами волн можно увеличить до 4,1 нм, что соответствует частоте биений 0,74 ТГц.

Спектр двухмодового лазера LC-DFB. а Спектры излучения двухволнового лазера LC-DFB с различным периодом решетки. б Широкий диапазон двухмодовых спектров генерации лазера LC-DFB с ультракороткой длиной резонатора 450 мкм

Чтобы получить больший диапазон перестройки двухмодовой генерации, длина резонатора лазеров LC-DFB была осторожно сокращена до 450 мкм, что привело к одновременной генерации GS и ES из-за эффекта насыщения усиления GS и увеличения заселенности ES. Лазерная структура LC-DFB состоит из двух различных брэгговских периодов 182 и 194 нм соответственно, что аналогично тому, что было описано в предыдущих отчетах [27, 28]. Как показано на рис. 4b, две продольные моды демонстрируют большое разделение длин волн 73,4 нм, что соответствует разности частот 14 ТГц. За счет реализации двух решеток с разным периодом сбоку от гребенчатого волновода и деликатного уменьшения длины резонатора, чтобы обеспечить генерацию ЭС, лазерные диоды на основе квантовых точек InAs / GaAs могли излучать двойные линии генерации с очень широким перестраиваемым интервалом длин волн от 0,5 до 73,4 нм, что соответствует 0,10. –14 ТГц разность частот. По сравнению с другими типами предлагаемых схем ТГц фотосмешения на основе двух отдельных лазеров, наше устройство предлагает преимущества простой конструкции, компактных размеров, низкой стоимости изготовления и очень широкого диапазона настройки.

Выводы

Был изготовлен лазер LC-DFB с квантовыми точками 1,3 мкм с мелко протравленными решетками, в котором успешно устранены сложность зарастания и трудности процессов глубокого травления в общем процессе изготовления DFB-лазера. Благодаря высокому материальному усилению образцов квантовых точек, приготовленных с модулирующим p-легированием, обработкой RTA и оптимизированной структурой лазерного волновода LC-DFB, устройство демонстрирует большой SMSR, равный 47 дБ, и высокую термическую стабильность dλ / dT, равную 0,092 нм / K. . Посредством определения двух разных периодов для решеток на каждой стороне узкого гребенчатого волновода или уменьшения длины лазерного резонатора можно получить две линии генерации одновременно, а расстояние между двумя длинами волн генерации можно гибко и в значительной степени настраивать, что может изменяться от 0,5 до 73,4 нм, что соответствует разности частот от 0,10 до 14 ТГц. Примечательно, что такой широкий диапазон настройки реализуется в одном лазерном устройстве, о чем до сих пор не сообщалось. Эти результаты демонстрируют перспективность применения лазеров LC-DFB для генерации непрерывного ТГц излучения.

Сокращения

CW:

Непрерывная волна

DFB:

Распределенная обратная связь

EBL:

Электронно-лучевая литография

ES:

Возбужденные состояния

GS:

Основное состояние

ICP:

Индуктивно-связанная плазма

LC-DFB:

Боковая распределенная обратная связь

MOCVD:

Химическое осаждение металлоорганических паров

PECVD:

Химическое осаждение из паровой фазы с применением плазмы

P – I – V:

Мощность – ток – напряжение

PMMA:

Полиметилметакрилат

QD:

Квантовая точка

QW:

Квантовая яма

RT:

Комнатная температура

RTA:

Быстрый термический отжиг

SEM:

Сканирующая электронная микроскопия

SMSR:

Коэффициент подавления боковой моды

ТЕМ:

Просвечивающая электронная микроскопия

WDM:

Мультиплексирование с разделением по длине волны