Высокопроизводительный SESAM на квантовых точках InAs/GaAs для 1550 нм с короткопериодной суперрешеткой для фемтосекундных волоконных лазеров

Аннотация

Низкоразмерные III-V квантовые точки (КТ) InAs/GaAs успешно применялись в полупроводниковых зеркалах с насыщаемым поглощением (SESAM) в диапазоне 900–1310 нм для ультрабыстрых лазеров благодаря широкой полосе, гибкости длины волны и низкому порогу насыщения. Однако создание высокопроизводительного КТ-SESAM для 1550 нм крайне сложно из-за препятствий в эпитаксиальном росте структур КТ. В этой работе впервые показано, что для InAs/GaAs КТ, спроектированных для 1550 нм, слабый процесс релаксации носителей из покрывающих слоев (CL) в КТ является основной причиной низкой светоэффективности. На этой основе разработан короткопериодная суперрешетка (In_0.20Ga_0.80As/In_0.30Ga_0.70As)₅ как CL для КТ, что дало ~10-кратное усиление излучения при 1550 нм по сравнению с обычным InGaAs CL. На основе этой структуры созданы высокопроизводительные КТ-SESAM с очень низкой интенсивностью насыщения 13,7 МВт/см² и большой нелинейной глубиной модуляции 1,6%, что позволило построить фемтосекундный мод-локированный волоконный лазер 1550 нм с отличной долгосрочной стабильностью.

Введение

Фемтосекундные мод-локированные лазеры 1550 нм широко применяются в оптической связи, ультрабыстрой и нелинейной оптике благодаря высокой пиковой мощности, низкому тепловому эффекту и высокой энергии импульса [1–5]. Насыщаемый поглотитель (SA) с широкой полосой, быстрым временем отклика и низкими потерями — критически важный компонент для таких ультракоротких импульсов [6–9]. Высокий порог повреждения SA высоко желателен для долгосрочной стабильной работы [10–13]. Недавно двумерные (2D) материалы (графен, топологические изоляторы, черный фосфор, дихалькогениды переходных металлов) привлекли внимание как SA [14–20], однако их низкий порог повреждения и плохая рабочая стабильность препятствуют широкому применению [22, 23]. Квантово-ямочные (КЯ) SESAM считаются коммерческими кандидатами благодаря высокой воспроизводимости и стабильности, но узкая рабочая полоса и малая глубина модуляции остаются барьерами для фемтосекундных импульсов [24].

Самособирающиеся InAs КТ, растущие в режиме Срански-Крастанова, обладают широкой рабочей полосой и быстрым временем восстановления носителей [25–31], что делает их отличным выбором для SESAM мод-локированных лазеров. Для длины волны ~1550 нм обычно используют InP-основанные InGaAsP КЯ. Зонные зазоры GaAs-основанных InGaAs КТ обычно покрывают 980–1310 нм; для >1310 нм требуется гораздо более высокое содержание индия в CL. Четвернистые InGaAsSb (InGaNAs) и InGaAs CL с высоким In% (>30%) использовались для смещения зонного зазора КТ к 1550 нм [32, 33]. Однако четвернистые CL усложняют эпитаксию, а высокое In% в InGaAs деградирует кристаллическое и оптическое качество КТ, вводя нерадиационные центры рекомбинации. 1550-нм излучение получено на InAs/GaAs КТ на метаморфных подложках, но плохая надежность и воспроизводимость остаются серьезными проблемами [34]. В нашей ранней работе [24] создавали асимметричные InAs/GaAs КТ для 1550 нм, получив мод-локированный Er-допированный стеклянный генератор с импульсом 2 пс. Недавно [35] изготовили 1550-нм КТ-SESAM с InGaAs-каппированными InAs/GaAs КТ, реализовав двухдлинноволновый пассивно К-переключенный Er-допированный волоконный лазер. Однако производительность лазеров была ограничена малой глубиной модуляции 0,4% таких КТ-SESAM. Поэтому крайне желательно найти новые методы оптимизации 1550-нм InAs/GaAs КТ для повышения глубины модуляции.

В этой работе выростили различные структуры InAs/GaAs КТ для SESAM 1550 нм с InGaAs CL и короткопериодной суперрешеткой (SSL) CL, и детально изучили их оптические свойства. Фотолюминесценция (PL) при комнатной температуре (RT) показала очень слабое излучение ~1550 нм, не наблюдаемое ниже 250 К. Это в резком контрасте с известным температурным поведением КТ: интенсивность PL выше при низких температурах, ослабевает при RT из-за термического вытеснения носителей. Аномальное поведение 1550-нм InAs/GaAs КТ объясняется слабым релаксационным процессом носителей из CL в КТ, который можно значительно усилить, вырастив SSL CL. SSL структуры обеспечивают обширные фононные моды с высокой плотностью вибрационных состояний, эффективно ускоряя релаксацию носителей из CL в КТ. Наблюдается 10-кратное усиление 1550-нм излучения по сравнению с не-SSL каппированными КТ. Превосходная носительная динамика наделяет КТ-SESAM высокой насыщаемой абсорбцией: очень малая интенсивность насыщения 13,7 МВт/см² и большая нелинейная глубина модуляции 1,6% (в 4 раза выше [24, 35]). Благодаря высокой производительности SSL-каппированного КТ-SESAM успешно построен Er-допированный волоконный лазер и достигнута стабильная мод-локированная генерация при 1556 нм с длительностью импульса 920 фс.

Методы

МБЭ рост InAs/GaAs КТ

Три структуры InAs/GaAs КТ вырощены методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МБЭ). Все образцы содержат три периода слоев точек, каждый из которых самоорганизуется из 2,9 монослоев (ML) InAs. Как показано на рис. 1, в образцах 1 и 2 InAs КТ выросли на GaAs и на 1-нм буферном слое (BL) In_0.18Ga_0.82As соответственно, и все покрыты 6-нм слоем In_0.33Ga_0.67As. Для образца 3 2,9 ML InAs КТ также выросли на 1-нм In_0.18Ga_0.82As BL, но каппированы 10-нм SSL из 5 периодов In_0.20Ga_0.80As (1 нм) и In_0.30Ga_0.70As (1 нм). Температура роста InAs КТ 510 °C, скорость 0,01 ML/s. КТ-SESAM изготавливали, растягивая один слой точек на нижнем распределенном Брагговском отражателе (DBR) из 31 пары нелегированного GaAs (115 нм) и Al_0.98Ga_0.02As (134 нм). Температуры роста GaAs и InGaAs — 565 и 530 °C соответственно.

Методы характеристики

PL измеряли при температурах 11–300 К лазером 532 нм. Кристаллическая структура — высокоразрешающей рентгеновской дифракцией (Cu Kα). Морфология — атомно-силовой микроскопией (AFM) в безконтактном режиме (Nanoscope Dimension^TM 3100 SPM). TEM — на JEOL-2010 (200 КэВ).

Результаты и обсуждение

Рис. 2a, b, c — температурно-зависимые PL спектры образцов 1, 2, 3 при 11–300 К (возбуждение 200 мВт). Наблюдаются две характерные полосы: узкая в коротковолновой области и широкая в длинноволновой. Узкий пик ~1170 нм при 11 К и ~1280 нм при 300 К — люминесценция CL, широкая полоса ~1550 нм при 300 К — излучение КТ. На рис. 2a при низких температурах видна только CL-эмиссия, излучение КТ ~1550 нм появляется при повышении температуры до 250 К и усиливается дальше. Аналогично для образца 2 (рис. 2b). Обычно для InAs/GaAs КТ, спроектированных для более коротких длин волн (например, 1300 нм), эмиссия КТ доминирует при низких температурах, а CL или смазывающие слои почти не видны из-за более низких энергетических уровней КТ и уменьшенного термического вытеснения носителей [36]. С ростом температуры интенсивность КТ падает из-за усиленного термического вытеснения. В резком контрасте наши 1550-нм образцы показывают полностью противоположное поведение, указывающее на принципиально иную носительную динамику. На рис. 2e показана зонная диаграмма: зонный зазор КТ намного уже CL, нижние уровни для электронов и дыр находятся в КТ, поэтому фотогенерированные носители должны предпочтительно релаксировать в КТ. Однако PL показывает доминирование CL-эмиссии, а КТ-эмиссия невидима ниже 250 К, что означает: при низких температурах носители в основном локализованы в CL, а не в КТ. Это объясняется блокировкой релаксации носителей: слишком мало фононов участвует в рассеянии, что приводит к низкой эффективности релаксации из CL в КТ. С ростом температуры термически возбуждается больше фононов, взаимодействие фононов с носителями усиливается, больше носителей рассеивается из CL в КТ. Наибольшая интенсивность КТ-эмиссии при 1550 нм при RT указывает на то, что энергетическая релаксация из CL в КТ доминирует над термическим вытеснением из КТ в CL.

PL характеристики образцов 1 и 2 показывают, что в InAs/GaAs КТ для 1550 нм существует неэффективная релаксация носителей, и большая фононная плотность способствует релаксации в КТ. Суть слабой релаксации кроется в электронной зонной структуре, определяемой CL. В КТ материалах зонные смещения намного больше энергий LO-фононов CL, поэтому носители в CL должны релаксировать к уровням КТ через выделение множественных фононов, а не одного. Этот процесс не может быть устранен в InAs/GaAs КТ для 1550 нм из-за большого зонного смещения, но можно модифицировать множественно-фононное рассеяние, регулируя электронную и фононную зонные структуры. Для усиления релаксации в 1550-нм КТ использовали (In_0.20Ga_0.80As/In_0.30Ga_0.70As)₅ SSL структуру как CL вместо InGaAs CL. SSL CL ожидаемо дают больше фононных вибрационных мод и более высокую фононную плотность за счет эффектов свертывания Бриллюновской зоны в SSL [37]. Образец 3 вырос с той же структурой, что и образец 2, но с 10-нм SSL (5 периодов) как CL. Рис. 2d — XRD для образцов 1, 2, 3. Все показывают сильный пик 66,1° (GaAs (008)). Саттелитные пики ~64,0° для 6-нм In_0.33Ga_0.67As CL у образцов 1 и 2. Для образца 3 SSL дает саттелит ~64,4°, сдвиг к большим углам указывает на уменьшение среднего содержания In [38, 39].

Температурно-зависимая PL для образца 3 (рис. 2c): аналогично образцам 1, 2, явная PL при 1550 нм от КТ не наблюдается ниже 200 К, интенсивность растет с температурой. Важно: пик КТ 1550 нм в образце 3 появляется при гораздо более низкой температуре 200 К (против 250 К для 1 и 2). Его относительная интенсивность по отношению к CL при RT намного выше, а PL интенсивность ~в 10 раз сильнее образца 2. Это показывает, что SSL CL значительно усиливает релаксацию носителей из CL в КТ, резко повышая радиационную рекомбинацию в КТ. Причина — высококачественные SSL CL с уменьшенным In%, что эффективно модулирует релаксацию и усиливает захват носителей КТ.

Для глубокого понимания множественно-фононного рассеяния сравнили зонные структуры InAs/GaAs КТ с разными CL. Для простоты разницу зонных зазоров CL и КТ оценивали как разницу энергий PL пиков. На рис. 2e и f разницы для образца 2 и 3 при 300 К составляют 143 и 114 мэВ соответственно. Предполагая, что зонные смещения ~60% от разности дна зон проводимости CL и КТ [40], электроны должны релаксировать 86 и 68 мэВ для образца 2 и 3 соответственно. Энергии LO и LA фононов в InGaAs — 34 и 9 мэВ [40, 41]. Для множественного рассеяния: комбинация 2 LO фононов в образце 3 достаточно для рассеяния электрона из CL в КТ, тогда как для образца 2 нужны 2 LO + 1 LO или 2 LA. Доказано, что скорость релаксации электронов резко падает при участии большего числа фононовых мод [42–45]. Следовательно, скорость релаксации в образце 3 выше, что объясняет усиленную PL интенсивность КТ. Основные причины — уменьшенное In% в SSL CL и ослабленный фононный «бутылочный горлышко».

Для дополнительной проверки усилившегося эффекта SSL CL измеряли PL в зависимости от мощности возбуждения при 300 К. Рис. 3a, b, c: интенсивность пиков CL (Пик 1) и КТ (Пик 2) растет с мощностью, сдвига позиций нет. Четко видно: интенсивность Пика 1 намного сильнее Пика 2 в образцах 1 и 2 при высокой мощности (рис. 3a, b), тогда как образец 3 показывает гораздо более сильную КТ-эмиссию во всем диапазоне мощностей. Отношения интенсивностей Пик 2/Пик 1 в зависимости от мощности суммированы на рис. 3d. При 2000 мВт отношения составляют 0,21 и 0,29 для образцов 1 и 2 — много носителей рекомбинирует в CL, релаксация в КТ сильно затруднена. Отношение для образца 2 немного выше, возможно, из-за более высокой плотности точек за счет In_0.18Ga_0.82As BL [24]. Для образца 3 интенсивность Пика 2 в 2,1 раза превышает Пик 1 при 2000 мВт, что указывает на гораздо более высокую эффективность релаксации в SSL-каппированных КТ. Кроме того, хотя среднее In% в SSL CL ~25% (против 33% в CL образцов 1, 2), длина волны Пика 1 в образце 3 (~1337 нм) немного длиннее (~1310 нм для 1, 2). Причина — ослабленный квантовый размерный эффект в более толстом (10 нм) SSL слое по сравнению с 6-нм InGaAs CL.

На основе хороших оптических свойств SSL-каппированных InAs/GaAs КТ демонстрируем их применение как КТ-SESAM для фемтосекундных импульсов. 1550-нм SSL-каппированный InAs/GaAs КТ-SESAM состоит из одного слоя SSL-каппированных КТ как абсорбирующего слоя и нижнего DBR зеркала из 31 пары нелегированного GaAs (115 нм) и Al_0.98Ga_0.02As (134 нм). Детальная структура показана на поперечном TEM изображении (рис. 4). Средняя плотность точек в абсорбирующем слое ~4,4×10¹⁰ см^-2, средняя высота и латеральный размер точки 7,5 и 40 нм (AFM на рис. 4). SESAM характеризовали типичной схемой с балансированным двухдетекторным измерением [46] и получили интенсивность насыщения 13,7 МВт/см² и нелинейную глубину модуляции 1,6%. На рис. 4 схема EDF лазера с КТ-SESAM. Стандартный 23,75-м одномодовый волокон и 0,75-м EDF как активная среда, длина резонатора 24,5 м. Полупроводниковый DFB лазерный диод (LD) 980 нм — насос, 980/1550 нм WDM для вкачки. Поляризационно-независимый изолятор (PI-ISO) и контролер поляризации (PC) обеспечивают однонаправленность и оптимизацию мод-локинга. Порт 1 оптического циркулятора (CIR) 1550 нм подключен к PC, порт 2 — к КТ-SESAM, порт 3 — к 10/90 выходному куплеру (OC) (10% выход, 90% вход).

Мод-локинг достигается при мощности насоса >50 мВт. Рис. 5a: выходная мощность линейно растет с мощностью насоса, КПД ~4,82% (линейная аппроксимация). Рис. 5b: типичный спектр конвенционального солтона с полосой 3 дБ 3,2 нм, центральная длина волны 1556 нм. Рис. 5c: RF спектр с частотой повторения 8,16 МГц (соответствует длине резонатора 24,5 м). Отношение сигнал/шум ~51 дБ, указывающее на большой потенциал стабильного мод-локинга. Долгосрочные измерения при пороговой мощности 50 мВт показали >1 недели стабильной непрерывной работы. Рис. 5d: автокорреляционный след с гауссовой аппроксимацией, реальная длительность импульса ~920 фс. Для сравнения: КТ-SESAM на структуре образца 2 (интенсивность насыщения 15,7 МВт/см², глубина модуляции 0,4%) дает импульсы 2,7 пс [47]. Значительное сокращение длительности импульса с SSL-каппированным КТ-SESAM обусловлено увеличением глубины модуляции, а снижение интенсивности насыщения — усиленной эффективностью релаксации носителей в SSL CL. Кроме того, пять других SSL-каппированных КТ-SESAM построили мод-локированные волоконные лазеры, все показали долгосрочную стабильность, демонстрируя высокую воспроизводимость и надежность SESAM.

Заключение

InAs/GaAs КТ для 1550 нм вырощены МБЭ с InGaAs CL и SSL CL. Температурно-зависимая и мощностно-зависимая PL спектроскопия показала, что зонное смещение проводимости между CL и КТ изменено с 86 мэВ до 68 мэВ заменой In_0.33Ga_0.67As CL на (In_0.20Ga_0.80As/In_0.30Ga_0.70As)₅ SSL CL, что обеспечивает более эффективное множественно-фононное рассеяние носителей, приводящее к большей радиационной рекомбинации в КТ и значительному улучшению излучения при 1550 нм. КТ-SESAM с SSL-каппированными КТ демонстрирует улучшенную интенсивность насыщения 13,7 МВт/см² и нелинейную глубину модуляции 1,6%, в мод-локированном волоконном лазере при 1556 нм достигнута длительность импульса 920 фс. Разработанный КТ-SESAM с SSL дизайном CL откроет новый путь к высокопроизводительным ультрабыстрым лазерам.

Доступность данных и материалов

Наборы данных, сгенерированные и/или проанализированные в ходе исследования, полностью доступны без ограничений от соответствующего автора по обоснованному запросу.

Аббревиатуры

2D:

Двумерный

AFM:

Атомно-силовая микроскопия

BL:

Буферный слой

CIR:

Циркулятор

CLs:

Покрывающие слои

DBR:

Распределенный Брагговский отражатель

EDF:

Erбий-допированное волокно

LA:

Продольный акустический

LD:

Лазерный диод

LO:

Продольный оптический

MBE:

Молекулярно-лучевая эпитаксия

MLs:

Монослои

OC:

Выходной куплер

PC:

Контролер поляризации

PI-ISO:

Поляризационно-независимый изолятор

PL:

Фотолюминесценция

QDs:

Квантовые точки

QW:

Квантовая яма

RT:

Комнатная температура

SA:

Насыщаемый поглотитель

SESAMs:

Полупроводниковые зеркала с насыщаемым поглощением

SSL:

Короткопериодная суперрешетка

TEM:

Проходная электронная микроскопия

WDM:

Длиноволновой мультиплексор