Двухрежимный InAs/GaAs квантово-точечный DFB-лазер для широкой настройки CW терагерцевых приложений

Аннотация

Изготовлен боково-сопряженный распределенной обратной связи (LC-DFB) лазер на основе модуляционно p-легированных множественных InAs/GaAs квантовых точек (QD). Устройство демонстрирует высокое подавление боковых мод (SMSR) > 47 дБ и высокую тепловую стабильность dλ/dT = 0,092 нм/К в непрерывном режиме (CW), что обусловлено высоким материалным усилением от модуляционной p-легировки и быстрой термической закалки (RTA), а также значительно сниженными волноводными потерями благодаря мелко-гравированным решеткам и их близости к гребенке лазера в LC-DFB структуре. Благодаря этим характеристикам достигнута широко настраиваемая двухдлинноволновая генерация путем задания разных периодов решеток по обе стороны гребенки или сокращения длины резонатора. Длинноволновый интервал между двумя режимами гибко настраивается в огромном диапазоне 0,5–73,4 нм, соответствующем разнице частот 0,10–14 ТГц — максимальный диапазон настройки для одиночного устройства, открывающий путь к генерации CW ТГц излучения.

Введение

DFB-лазеры технологически значимы для дальней оптоволоконной связи и ТГц излучения благодаря узкому спектру и стабильной длине волны. За десятилетие предприняты огромные усилия для высокопроизводительных DFB-лазеров. QD-базированные DFB-лазеры показывают преимущества: низкий пороговый ток, высокую квантовую эффективность, широкий диапазон настройки длины волны и высокую температурную стабильность по сравнению с квантовыми ямами. Модуляционная p-легировка в QD структурах улучшает температурную стабильность и высокоскоростные характеристики за счет усиления основного состояния (GS). Быстрая термическая закалка (RTA) также оптимизирует качество материала и оптические свойства QD ансамблей за счет уменьшения точечных дефектов и дислакаций.

Конвенциональная фабрикация DFB требует двух этапов высококачественного эпитаксиального роста. Для исключения регроута Goshima et al. предложили LC-DFB с глубоким гравированием решетки в волновод, но наблюдались низкий КПД (<0,03 Вт/А) и малый SMSR (20 дБ) из-за больших волноводных потерь. Глубокая гравировка требует высокого аспектного соотношения (20:1), что технически сложно. Необходимо сочетать оптимизированную QD активную область с улучшенной волноводной структурой.

ТГц источники востребованы в медицине, сельском хозяйстве, экологии, безопасности. Желательны компактные, дешевые, частотонастраиваемые CW источники. Двухрежимные лазеры изучаются для оптического битья в ТГц фотомикшене. Широкое настройание демонстрировалось внешними резонаторами, но механические части неудобны. Два независимых DFB-лазера также генерируют ТГц, но одновременная генерация двух линий из одного DFB-резонатора привлекательна компактностью, стабильностью и спектральным качеством.

В работе множественные InAs/GaAs QD структуры выросли МЛЭ, применяли модуляционную p-легировку и пост-ростовую закалку. Для исключения регроута и снижения аспектного соотношения гравировки изготовили LC-DFB с мелкими решетками. Устройства на p-легированных QD показали дифференциальный КПД 0,2 Вт/А, SMSR 47 дБ, тепловую стабильность 0,092 нм/К. Двухрежимная генерация получена двумя наборами решеток разного периода; длины волны манипулируются изменением периодов, давая огромный диапазон настройки разности частот 0,10–14 ТГц. Результаты демонстрируют перспективы QD LC-DFB для дальней связи и CW ТГц источников.

Методы

Подготовка и характеристика материалов

InAs/GaAs QD структуры выросли на Si-легированных GaAs (100) подложках МЛЭ системой. Активная область: 8 стеков QD слоев, разделенных 33 нм GaAs барьерами. Каждый QD слой: 2,7 ML InAs с 6 нм InGaAs напряжение-снимающим слоем. Вся активная область между n-Al_0.3Ga_0.7As (~2800 нм) и p-Al_0.3Ga_0.7As (~1800 нм). Осаждение InAs при 510 °C, скорость 0,01 ML/с. Модуляционная p-легировка Be в 6 нм слое в 10 нм под каждым QD слоем, концентрация 25 акцепторов на точку. Плотность QD 4×10¹⁰ см⁻² (АФМ). RTA в N₂ при 700 °C 45 с под GaAs капом.

Проектирование, фабрикация и характеристика LC-DFB

Схема LC-DFB (рис. 1a) позволяет одностадийный эпитаксиальный рост и снижает аспектное соотношение гравировки. Узкая гребенка и боковые решетки формируются в два этапа, в отличие от традиционной литографии. Мелкая гравировка решеток уменьшает аспектное соотношение и позволяет высококачественные решетки первого порядка. Критически важна близость решеток к гребенке. Для решения проблемы неравномерного фоторезиста при EBL толщину PMMA подобрали 75 нм. Процесс: 75 нм SiO₂ PECVD как защитный слой; гребенка оптической литографией и ICP травлением (Cl₂/BCl₃) до 1,75 мкм; верхний p-AlGaAs мокрым травлением до ~280 нм над QD; спин-коат PMMA (950K, 75 нм), выпек 90 с при 180 °C; EBL определяет решетку первого порядка рядом с гребенкой, перенос образа ICP сухим травлением (скорость PMMA ~5 нм/с, AlGaAs ~10 нм/с). Глубина гравировки 135 нм, период 194 нм. Для двухдлинноволновой генерации два разных периода Брагга по разные стороны гребенки. Омический контакт защищен SiO₂. После гравировки еще SiO₂ для изоляции и плантаризации, RIE контактное окно. Ti/Au и Au/Ge/Ni/Au для верхнего и нижнего контактов. Подложка сброшена до ~80 мкм. Резонаторы 1 и 0,45 мм, грани не покрыты. Измерения в CW режиме.

Результаты и обсуждение

Рис. 2a: типичная P-I-V характеристика LC-DFB на p-легированных QD. Высокий КПД 0,20 Вт/А, низкий порог 33 мА — высокое качество материала и оптическое усиление. Рис. 2b,c: температурная зависимость пороговой плотности тока и КПД для нелегированных и p-легированных. Характеристическая температура T₀ для нелегированных 52,3 К; для p-легированных T₀ значительно возрастает, особенно 15–50 °C, где наблюдается бесконечный T₀. В этом диапазоне КПД практически не деградирует (2,6% деградация для нелегированных), что также дает бесконечный T₁ для p-легированных. Разница обусловлена встроенными дырками от модуляционной p-легировки, подавляющими термическое расширение дырок в близких энергетических уровнях.

Рис. 3 (внутр.): спектр p-легированного LC-DFB (1 мм) при I=2I_th RT: одиночный продольный режим 1292,4 нм, SMSR 47 дБ. Рис. 3: длина волны vs температура — скорость 0,092 нм/К, в согласии с температурным коэффициентом показателя преломления, в ~5 раз ниже сдвига материалного усиления.

Сравнение: Goshima et al. (глубокая гравировка) — КПД <0,03 Вт/А, SMSR 20 дБ из-за потерь. Briggs et al. (мелкая гравировка GaSb) — SMSR 25 дБ, ограничено малым коэффициентом связи из-за большого расстояния решетка-гребенка. В нашей работе раздельная фабрикация гребенки и решеток дает острый гладкий бок гребенки и малые потери. Мелкая гравировка снижает аспектное соотношение и позволяет качественные решетки первого порядка. Тонкий PMMA и оптимизированный EBL устраняют стечение фоторезиста, обеспечивая тесный контакт решеток с гребенкой. Высокая плотность точек ~4,3×10¹⁰ см⁻² и высокое усиление от p-легировки и RTA объясняют большой SMSR 47 дБ.

LC-DFB также перспективны для CW ТГц генерации. В отличие от двух независимых лазеров, одновременная двухрежимная генерация в одном резонаторе дает компактность, стабильность, спектральное качество. QD структуры подходят для широкополосных источников: низкая плотность состояний приводит к легкому насыщению GS и населению возбужденных состояний (ES); вариация размера точек расширяет диапазон настройки за счет квантового размерного эффекта.

Два набора решеток с разными периодами Λ₁, Λ₂ дают две длины волны λ₁, λ₂. Метод: два разных периода гравировки по сторонам гребенки. Измерения в CW. Стабильная двухдлинноволновая генерация с SMSR ~40 дБ. Рис. 4a: спектры для разных разностей периодов. Для 1 мм LC-DFB при Λ₁−Λ₂=0,10 нм длины волны 1292,40 и 1292,90 нм, интервал 0,50 нм (~0,10 ТГц). При разности 0,64 нм интервал 4,1 нм (0,74 ТГц).

Для большего диапазона длину резонатора сократили до 450 мкм, что вызывает одновременную GS и ES генерацию из-за насыщения GS и населения ES. Два периода Брагга 182 и 194 нм. Рис. 4b: разделение 73,4 нм, соответствующее 14 ТГц. Таким образом, реализовано широкое настройание интервала 0,5–73,4 нм (0,10–14 ТГц) в одном устройстве — беспрецедентный результат. Преимущества: простая структура, компактность, низкая стоимость, огромный диапазон настройки.

Заключение

Изготовлен 1,3-мм QD LC-DFB лазер с мелкими решетками, исключающий сложность регроута и трудности глубокой гравировки. Благодаря высокому материалному усилению (p-легировка, RTA) и оптимизированной волноводной структуре: SMSR 47 дБ, тепловая стабильность 0,092 нм/К. Два периода решеток по сторонам гребенки или сокращенная длина резонатора дают одновременную двухдлинноволновую генерацию с гибким широким настройанием интервала 0,5–73,4 нм (0,10–14 ТГц). Этот широкий диапазон реализован в одном лазерном устройстве, чего не сообщалось ранее. Результаты подтверждают перспективы LC-DFB для генерации CW ТГц излучения.

Аббревиатуры

CW

Continuous-wave (непрерывная волна)

DFB

Distributed feedback (распределенная обратная связь)

EBL

Electron-beam lithography (электронно-лучевая литография)

ES

Excited states (возбужденные состояния)

GS

Ground state (основное состояние)

ICP

Inductively coupled plasma (индуктивно-сопряженная плазма)

LC-DFB

Laterally coupled distributed feedback (боково-сопряженная распределенная обратная связь)

MOCVD

Metalorganic vapor chemical deposition (металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы)

PECVD

Plasma-enhanced chemical vapor deposition (плазмоусиленное химическое осаждение из паровой фазы)

P-I-V

Power-current-voltage (мощность-ток-напряжение)

PMMA

Polymethylmethacrylate (полиметилметакрилат)

QD

Quantum dot (квантовая точка)

QW

Quantum well (квантовая яма)

RT

Room temperature (комнатная температура)

RTA

Rapid thermal annealing (быстрая термическая закалка)

SEM

Scanning electron microscopy (растровое электронное микроскопирование)

SMSR

Side-mode suppression ratio (коэффициент подавления боковых мод)

TEM

Transmission electron microscopy (пропускная электронная микроскопия)

WDM

Wavelength division multiplex (волновой мультиплексинг)