InAs/GaAs Quantum Dot Dual-Mode gedistribueerde feedbacklaser voor een continu-golf Terahertz-toepassing met groot afstembereik

Resultaten en discussie

Figuur 2a toont een typische vermogens-stroom-spanning (P-I-V) karakteristiek van de as-gefabriceerde LC-DFB-laser op basis van een p-gedoteerde QD-structuur met meervoudige modulatie. De laser vertoont een duidelijk hoog hellingsrendement van 0,20 W/A en een lage drempel van 33 mA, wat de hoge materiaalkwaliteit en hoge optische versterking van de QD-structuur onthult. De drempelstroomdichtheid en hellingsefficiëntie met betrekking tot de temperatuur voor een ongedoteerde en een p-gedoteerde QD LC-DFB-laser worden respectievelijk weergegeven in Fig. 2b, c. De karakteristieke temperatuur voor de drempelstroomdichtheid (T ₀ ) van 52,3 K wordt berekend voor de ongedoteerde QD LC-DFB-laser zoals te zien in figuur 2b, terwijl de T ₀ voor p-gedoteerde QD LC-DFB laser heeft een significante toename, vooral in het temperatuurbereik van 15 tot 50 °C, waarin een oneindige T ₀ is geobserveerd. Bovendien vertoont de hellingsefficiëntie in dit temperatuurbereik bijna geen degradatie (2,6% degradatie voor de ongedoteerde QD LC-DFB-laser), wat wijst op een oneindige karakteristieke temperatuur voor de hellingsefficiëntie (T ₁ ) ook voor p-gedoteerde LC-DFB laser. Het grote verschil van beide T ₀ en T ₁ tussen de ongedoteerde en p-gedoteerde LC-DFB-lasers wordt voornamelijk toegeschreven aan de effecten die worden veroorzaakt door de ingebouwde overtollige gaten als gevolg van de modulatie p-doping die de thermische verbreding van de gaten in de dicht bij elkaar liggende energieniveaus aanzienlijk kan remmen [21, 22 ]. Op basis van de bovenstaande resultaten werd de p-gedoteerde QD LC-DFB-laser geselecteerd voor de verdere karakterisering van laserspectra.

P–I–V en temperatuurafhankelijkheidskarakteristiek van de LC-DFB-laser. een P-I-V-karakteristiek van de p-gedoteerde LC-DFB-laser bij RT. b Temperatuurafhankelijkheid van drempelstroomdichtheid voor ongedoteerde en p-gedoteerde LC-DFB-lasers. c Temperatuurafhankelijkheid van hellingsefficiëntie voor ongedoteerde en p-gedoteerde LC-DFB-lasers

De inzet van Fig. 3 toont een emissiespectrum van de p-gedoteerde LC-DFB-laser van 1 mm in holtelengte gemeten onder I = 2Ik _de injectieniveau bij kamertemperatuur (RT), en een enkele longitudinale modus die lasert bij 1292,4 nm met een zeer grote SMSR van 47 dB kan worden waargenomen. Figuur 3 toont de emissiegolflengte als functie van de bedrijfstemperatuur van de p-gedoteerde LC-DFB-laser, die een variatiesnelheid van slechts 0,092 nm/K laat zien. De stabiliteit bij hoge temperatuur van de lasergolflengte is in goede overeenstemming met de temperatuurcoëfficiënt van de brekingsindex, die ongeveer vijf keer lager is dan die van de materiaalversterking.

Temperatuurafhankelijkheid van emissiegolflengte. Inzet:emissiespectrum van de p-gedoteerde LC-DFB laser gemeten bij 2I _de

Onlangs hebben Goshima et al. [10] rapporteerde een 1,3-μm InAs/GaAs QD LC-DFB-laser vervaardigd door diepe roosters die verticaal in de nokgolfgeleiderstructuur waren geëtst, en een lage hellingsefficiëntie van minder dan 0,03 W/A en een kleine SMSR van 20 dB, die voornamelijk vanwege de grote golfgeleiderverliezen veroorzaakt door het diepe etsproces. Met een ondiep geëtste roosterstructuur, Briggs et al. [23] hebben met succes op GaSb gebaseerde LC-DFB-lasers gefabriceerd met een grotere SMSR van 25 dB. Maar verdere verbetering werd beperkt door de lagere koppelingscoëfficiënt vanwege de grote afstand tussen de roosters en de randgolfgeleider, die cruciaal is voor de prestaties van een LC-DFB-laser. In ons werk werden de smalle nokgolfgeleider en de roosterstructuren afzonderlijk gefabriceerd, wat resulteerde in een zeer scherpe en gladde zijwand van de nokgolfgeleider en dus weinig golfgeleiderverlies. De ondiepe etsmethode voor de roosterfabricage die in onze experimenten wordt gebruikt, kan de aspectverhouding van de geëtste roosters sterk verminderen en het maken van de hoogwaardige eerste-orde roosterstructuur mogelijk maken die zorgt voor een goede koppeling met licht. Door de dikte van de PMMA-resist en de EBL-lithografieparameters zorgvuldig te regelen, werden de stapelverschijnselen van fotoresist naast de zijwand van richels effectief verlicht, wat leidt tot de vorming van roosters die strak grenzen aan de laserruggolfgeleider. Bovendien is de hoge puntdichtheid van ~ 4,3 × 10 ¹⁰ cm ⁻² verkregen door het optimaliseren van de MBE-epitaxiegroeiparameters en de hoge winst van de QD-assemblages, gerealiseerd door de modulatie p-doping en de gloeibehandeling na de groei, kan de grote 47 dB SMSR van onze LC-DFB-laser verklaren.

Naast de wijdverbreide toepassingen die al zijn aangetoond in systemen voor optische transmissie over lange afstand en multiplex (WDM)-systemen (golflengteverdeling), vanwege de superieure eigenschappen van het smalle emissiespectrum en de hoge thermische stabiliteit, hebben de LC-DFB-lasers ook voordelen aangetoond voor het genereren van CW THz-straling. Vergeleken met de traditionele methode om THz-straling te creëren door gebruik te maken van twee onafhankelijke diodelasers [24,25,26], zijn LC-DFB-lasers met gelijktijdige emissie van twee modi zeer aantrekkelijk voor het fabriceren van THz-stralingsbronnen vanwege de kosteneffectiviteit, compactheid, hoge stabiliteit en hoge spectrale kwaliteit. In tegenstelling tot quantum well (QW) lasers, zijn QD-gebaseerde emitters zeer geschikt voor breedband afstembare bronnen vanwege twee unieke kenmerken van QD-structuren. Ten eerste leidt de aard van de lage dichtheid van toestanden tot de gemakkelijke verzadiging van de GS-niveaus, wat resulteert in de verdere populatie van de aangeslagen toestanden (ES). Ten tweede kan de variatie in puntgrootte worden gebruikt om het afstembereik te vergroten, omdat de brede grootteverdeling van het zelf-geassembleerde QD-ensemble leidt tot een breed spectrum van lichtemissie dat wordt bepaald door het kwantumgrootte-effect.

De LC-DFB-structuur, bestaande uit onafhankelijk vervaardigde laterale roosters, maakt een hoge flexibiliteit mogelijk bij het definiëren van de ontworpen Bragg-golflengte. Dual-golflengte laseren kan worden bereikt door twee sets roosters van verschillende Bragg-periodes te fabriceren Ʌ ₁ en Ʌ ₂ die twee verschillende golflengten mogelijk maken λ ₁ en λ ₂ . De hier gerapporteerde methode omvat het definiëren van twee verschillende roosterperioden voor elke zijde van de roosters. De lasermetingen met dubbele golflengte werden uitgevoerd onder CW-omstandigheden. Stabiele dual-golflengte laseren, met SMSR rond 40 dB, werd waargenomen. Zoals geïllustreerd in figuur 4a, vertonen de donkere cyaan, blauwe, rode en zwarte lijnen laserspectra met twee verschillende lasergolflengten. Voor een 1 mm LC-DFB laser met roosterperiodeverschil Ʌ ₁ − Ʌ₂ =-0,10 nm, de twee lasergolflengten zijn respectievelijk 1292,40 en 1292,90 nm, wat een golflengte-afstand van 0,50 nm oplevert, wat overeenkomt met het frequentieverschil van ~ -0,10 THz. Door het verschil in roosterperiode af te stemmen op 0,64 nm, kan de afstand tussen twee golflengten worden vergroot tot 4,1 nm, wat overeenkomt met een zwevingsfrequentie van 0,74 THz.

Het spectrum van de dual-mode LC-DFB laser. een Emissiespectra van de dual-wavelength LC-DFB laser met een verschillende roosterperiode. b Brede spatiëring van dual-mode laserspectra van de LC-DFB-laser met een ultrakorte holtelengte van 450 μm

Om een ​​groter afstembereik van de dual-mode lasering te krijgen, werd de holtelengte van LC-DFB-lasers zorgvuldig ingekort tot 450 μm, wat resulteert in de gelijktijdige GS- en ES-lasing vanwege het effect van GS-gainverzadiging en een grotere populatie van de ES. De LC-DFB-laserstructuur bestaat uit twee verschillende Bragg-periodes van respectievelijk 182 en 194 nm, wat vergelijkbaar is met wat werd beschreven in eerdere rapporten [27, 28]. Zoals weergegeven in figuur 4b, vertonen de twee longitudinale modi een grote golflengtescheiding van 73,4 nm, wat overeenkomt met het frequentieverschil van 14 THz. Door twee verschillende perioderoosters zijdelings op een nokgolfgeleider te implementeren en de holtelengte subtiel te verkorten om ES-lasing mogelijk te maken, kunnen de op InAs/GaAs QD gebaseerde laserdiodes dubbele laserlijnen uitzenden met een zeer brede afstembare golflengte-afstand van 0,5 tot 73,4 nm, wat overeenkomt met 0,10 –14 THz frequentieverschil. Vergeleken met andere soorten voorgestelde schema's van THz-fotomixing op basis van twee afzonderlijke lasers, biedt ons apparaat de voordelen van een eenvoudige structuur, compact formaat, lage fabricagekosten en een zeer breed afstemmingsbereik.