Dual-mode InAs/GaAs quantum dot DFB-laser voor brede afstemming CW terahertz toepassingen

Samenvatting

In dit artikel is een lateraal gekoppelde distributed feedback (LC-DFB) laser gefabriceerd, gebaseerd op modulatie p-gedopeerde multiple InAs/GaAs quantum dot (QD) structuren. Het apparaat vertoont een hoge zijde-modus-onderdrukkingsverhouding (SMSR) van > 47 dB en een hoge thermische stabiliteit van dλ/dT = 0,092 nm/K onder continuous-wave (CW) operatie, wat voornamelijk wordt toegeschreven aan de hoge materiaalwinst bereid door modulatie p-doping en snelle thermische annealing (RTA) proces, en de aanzienlijk verminderde golfgeleiderverliezen door ondiep-geetste gratingen en hun nabijheid aan de laser-rug in de LC-DFB laser. Met deze superieure prestaties van de DFB-laser is brede afstelbare dual-wavelength lasing-operatie verkregen door subtiel verschillende periodes te definiëren voor de grating-structuren aan de twee kanten van de laser-rug of door de verminderde laser-kavelengte te combineren. De golflengte-afstand tussen de twee lasing-modes kan flexibel worden afgesteld in een zeer wijd bereik van 0,5 tot 73,4 nm, corresponderend met de frequentieverschil van 0,10 tot 14 THz, wat de grootste afstelbereik is door gebruikmaking van een enkel apparaat en dus een nieuwe kans biedt voor de generatie van CW THz-straling.

Achtergrond

Distributed feedback (DFB) lasers zijn technologisch significant voor hun brede toepassingen in lange-afstand vezeloptische communicatie en terahertz (THz) straling vanwege hun smalle emissiespectrum en gestabiliseerde emissiegolflengte [1,2,3]. Grote inspanningen en diverse pogingen zijn in het afgelopen decennium gedaan om hoogpresterende DFB-lasers te realiseren, en quantum dot (QD)-gebaseerde DFB-lasers hebben voordelige prestaties getoond zoals lage drempelstroom, hoge quantum-efficiëntie, brede golflengte-afstelbereik, en hoge-temperatuurstabiliteit ten opzichte van commerciële quantum well-gebaseerde apparaten [4,5,6]. Modulatie p-doping in quantum dot laser structuren is aangetoond als een effectieve methode om de QD-laserprestaties verder te verbeteren, inclusief temperatuurstabiliteit [7] en hoge-snelheidsmodulatiekenmerken [8] door de aanzienlijk versterkte grondstaat (GS) winst. Bovendien is ook aangetoond dat snelle thermische annealing (RTA) een andere efficiënte manier is om de materiaalkwaliteit en optische eigenschappen van de QD-assemblages te optimaliseren, ten gevolge van de reductie van puntdefecten en dislocaties die ontstaan tijdens de epitaxiale groei. Het conventionele fabricageproces van een DFB-laser vereist meestal twee stappen van hoogwaardige epitaxiale groei [9]. Stubenrauch et al. rapporteerden de fabricage van een 1,3-µm QD DFB-laser die hoge statische en dynamische prestaties toont; echter, na de fabricage van een Bragg-gratingstructuur en epitaxiale groei van de onderste cladding-laag en actieve regio, is een metalorganische chemische dampafscheiding (MOCVD) epitaxiale hergroei-stap vereist om de volledige laserstructuur te voltooien, wat leidt tot veel complexe en onzekere factoren [1]. Om het hergroei-proces te vermijden, stelde Goshima et al. een QD-gebaseerde lateraal gekoppelde distributed feedback (LC-DFB) laserstructuur voor die gerealiseerd werd door de grating diep in de ruggolfgeleider te etsen, maar lage hellingsefficiënties onder 0,03 W/A en een kleine zijde-modus-onderdrukkingsverhouding (SMSR) van 20 dB werden waargenomen door grote golfgeleiderverliezen [10]. De golfgeleiderverliezen komen voornamelijk van het diepe etsproces, waardoor de hoogwaardige en uniforme gratingstructuur erg moeilijk te realiseren is door de technische problemen van hoge aspectratio (normaal 20:1) vereiste in zowel droog- als nat-etsproces [11]. Dus, om een super hoogpresterende DFB-laser te realiseren, is het nodig een manier te vinden om de geoptimaliseerde QD-actieve regio te combineren met een verbeterde apparaat-golfgeleiderstructuur.

Terahertz (THz) frequentie stralingsbronnen hebben aanzienlijke aandacht getrokken voor hun veelbelovende medische, landbouw-, milieu- en beveiligingstoepassingen [12, 13] en frequentie-afstelbare continuous-wave (CW) operatie van de THz-stralingsbron met compacte formaat en lage kosten is met name gewenst. Recentelijk zijn diverse halfgeleider dual-mode lasers bestudeerd met het doel een optische klopsbron voor THz-fotomixen te ontwikkelen. Brede frequentie-afstelling is gedemonstreerd door gebruik te maken van externe-kavelasers die gelijktijdig twee lijnen van verschillende golflengtes emitteren [14, 15]. Echter, de bewegende mechanische delen in het externe-kavelasersysteem zijn noch handig noch stabiel voor golflengte-afstelling. CW THz-signalen kunnen ook gegenereerd worden door gebruik te maken van twee onafhankelijke DFB-laserbundels van lichtelijk verschillende frequenties. Deze techniek is uitgegroeid tot een uitstekende keuze voor het genereren van THz-straling, profiteerend van het zeer smalle emissiespectrum en de gestabiliseerde emissiegolflengte van DFB-laserdiodes [3, 16,17,18]. Naast die gerapporteerde configuraties voor THz-fotomixen, is de gelijktijdige emissie van twee afstelbare laserlijnen vanuit een enkele DFB-laser-kavel heel aantrekkelijk vanwege de compactheid, hoge-temperatuurstabiliteit, en hoge spectrale kwaliteit [3, 19].

In dit werk werden de multiple InAs/GaAs QD-laserstructuren gegroeid door molecular-beam epitaxy (MBE), en p-type modulatie-doping werd toegepast op de QD-actieve regio. Na epitaxiale groei werden de QD-monsters behandeld met een post-groei annealing-proces. Om de overgroei-stap te vermijden en de aspectratio in grating-etsen te verminderen, werd de LC-DFB-laser gefabriceerd met ondiep-geetste gratingen. De ondiep-geetste LC-DFB-lasers gebaseerd op de p-gedopeerde QDs vertonen een hoge differentiële efficiëntie van 0,2 W/A, een grote SMSR van 47 dB, en een hoge thermische stabiliteit dλ/dT van 0,092 nm/K. Daarnaast werd dual-mode lasing met succes verkregen met de LC-DFB-lasers door het fabriceren van twee sets gratingen van verschillende periodes, en de lasing-golflengtes kunnen eenvoudig worden gemanipuleerd door de grating-periodes subtiel te wijzigen, wat een groot bereik aan afstelling van het frequentieverschil van de twee lasing-modes van 0,10 tot 14 THz mogelijk maakt. Ons werk toont de veelbelovende toepassingen van QD-gebaseerde LC-DFB-lasers voor lange-afstand vezeloptische communicatie en CW THz-stralingsbronnen.

Methoden

Bereiding en Karakterisering van Materialen

De InAs/GaAs QD-laserstructuren werden gegroeid op Si-gedopeerde GaAs (100) substraten door een MBE-systeem. De actieve regio van de laserstructuur bestaat uit acht stapels QD-laag gescheiden door GaAs-barrières van 33 nm dikte. Elke QD-laag bestaat uit 2,7 ML InAs bedekt met een 6-nm-dikke InGaAs spanning-verlagende laag. En de gehele actieve regio wordt ingelijst door de cladding-lagen van de onderste ~2800 nm n-Al_0.3Ga_0.7As en de bovenste ~1800 nm p-Al_0.3Ga_0.7As. De depositie van InAs bij een groeitemperatuur van 510 °C en een groeisnelheid van 0,01 ML/s. De modulatie p-doping met Be werd uitgevoerd in een 6-nm laag gelegen in de GaAs-spacerlaag 10 nm onder elke QD-laag, en de dopingsconcentratie werd gecontroleerd op 25 acceptoren per dot. De dwarsdoorsnede transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) afbeelding van de InGa/GaAs QD-lagen is getoond in Fig. 1a. De dichtheid van InAs/GaAs QDs is bepaald op 4 × 10¹⁰ cm⁻² door atoomkrachtmicroscopie-metingen. De RTA-behandeling werd uitgevoerd in een N₂-omgeving bij een temperatuur van 700 °C gedurende 45 s. De QD-monsters werden beschermd door een GaAs nabijheids-cap tijdens het annealproces.

Ontwerp, Fabricage, en Karakterisering van LC-DFB

Het schematische diagram van de ontworpen LC-DFB-laserstructuur is getoond in Fig. 1a. Deze ontwerpbenadering maakt de fabricage van LC-DFB-lasers mogelijk met slechts één ronde epitaxiale groei en verlaagt de aspectratio in optische grating-etsen. De vorming van de smalle ruggolfgeleider en zijn lateraal gekoppelde gratingstructuur is verdeeld in twee verwerkingsstappen, wat anders is dan het traditionele definerende lithografieproces [1, 9, 10]. De fabricage van de lateraal gekoppelde grating vereist ondiep etsen en dat verlaagt de hoge aspectratio in droogetsen die vereist wordt door de traditionele diepe etsbenadering. Bovendien maakt etsen van de gratingen slechts over honderden nanometers in de halfgeleiders de gratingstructuur met zeer kleine kenmerken zoals de eerste-orde grating gemakkelijk te realiseren en biedt dus een nieuwe kans om ingenieuze apparaatstructuren te ontwikkelen voor THz-toepassingen.

Met betrekking tot het koppelingsprincipe van LC-DFB, is het bekend dat de nabijheid van de gratingen aan de rug een cruciale factor is die de laserprestaties sterk beïnvloedt [20]. In het fabricageproces, nadat de ruggolfgeleider eerst is gedefinieerd, heeft het monster voor elektronenbundel-lithografie (EBL) een hoogteverschil ten opzichte van de golfgeleider, en de fotoweerstand zal zich aan de zijkant stapelen tijdens EBL, wat het moeilijk maakt om de vorming van grating aangrenzend aan de rug te realiseren. Om het probleem van de non-uniforme fotoweerstandcoating op te lossen en een hoogwaardig gratingpatroon gevormd door EBL te maken, werd de dikte van polymethylmethacrylaat (PMMA) weerstand zorgvuldig geselecteerd om zo dun mogelijk te zijn, 75 nm, wat geoptimaliseerd is om de gratingkwaliteit hun evenwichtspunten te laten bereiken. De LC-DFB-laser werd gefabriceerd via de volgende procedures. Eerst werd een 75-nm SiO₂-laag gedeponeerd op de epitaxiestructuur door plasma-geassisteerde chemische dampafscheiding (PECVD), die fungeert als de etsbeschermingslaag voor het ondiepe etsen van gratingen. De ruggolfgeleiderstructuur werd gepatroneerd met optische lithografie en geetst tot een diepte van ongeveer 1,75 µm met de techniek van inductief gekoppeld plasma (ICP) met een gasmengsel van Cl₂ en BCl₃. Met de golfgeleiderstructuur gedefinieerd, werd de bovenste p-zijde AlGaAs cladding-laag verder geetst door nat-etsen dat stopte op ~280 nm boven de QD-actieve regio's. Daarna werd het monster gecoat met PMMA-weerstand (moleculair gewicht van 950 K en dikte van 75 nm) en gebakken gedurende 90 s bij 180 °C. De eerste-orde grating werd gedefinieerd langs de ruggolfgeleider door EBL, en vervolgens werd het weerstandsbeeld overgebracht in de AlGaAs door ICP-droogetsen. De etssnelheden van PMMA-weerstand en AlGaAs waren respectievelijk ongeveer 5 nm/s en 10 nm/s. Een scanning elektronenmicroscopie (SEM) afbeelding van de gefabriceerde LC-DFB-structuur is getoond in Fig. 1b. Profiterend van de zorgvuldige keuze van de EBL-blootstellingsdosis en de sterk verlichte fotoweerstandstapeling door de dunne weerstand, zijn de gratingen strak gekoppeld aan de laserriggolfgeleider, zoals onthuld door de inset van Fig. 1b. De etsdiepte van de grating is 135 nm, en de gratingperiode is 194 nm. Om een nauwkeurig en breed afgestelde dual-wavelength lasing te bereiken, werden twee verschillende Bragg-periodes gefabriceerd voor laterale gratingen aan de twee kanten van de ruggolfgeleider. De Ohmische contactlaag op de ruggolfgeleider werd volledig beschermd door de 75-nm-dikke SiO₂-beschermingslaag om Ohmisch contact te garanderen tijdens het ICP-etsproces. De ondiep-geetste grating werd gecontroleerd op 150 nm boven het QD-actieve bereik om een goede koppeling met licht te vormen. Voor isolatie en planarisatie werd een andere laag SiO₂ gedeponeerd op het monster met PECVD na het etsen van de gratingen. Ten slotte werd reactieve ionenetsen (RIE) droogetsen gebruikt om een contactvenster in SiO₂ te openen. Ti/Au en Au/Ge/Ni/Au werden vervolgens gedeponeerd om de boven- en onderste Ohmische contacten te vormen, respectievelijk. De substraten werden afgedund tot ongeveer 80 µm om het zelfverhittingseffect te minimaliseren. Laserkaviteiten van 1 en 0,45 mm lang werden gefabriceerd, en de emissiefacetten waren niet gecoate. De laserstaven werden gemonteerd met de p-zijde omhoog op een koperen warmte-afvoer, en alle metingen werden onder CW-operatie uitgevoerd.

Resultaten en Discussie

Figuur 2a toont een typische vermogen-stroom-spanning (P-I-V) karakteristiek van de as-gefabriceerde LC-DFB-laser gebaseerd op een multiple modulatie p-gedopeerde QD-structuur. De laser toont een duidelijke hoge hellingsefficiëntie van 0,20 W/A en een lage drempel van 33 mA, wat de hoge materiaalkwaliteit en hoge optische winst van de QD-structuur onthult. De drempelstroomdichtheid en hellingsefficiëntie ten opzichte van de temperatuur voor een ongedopeerde en een p-gedopeerde QD LC-DFB-laser worden gepresenteerd in Fig. 2b, c, respectievelijk. De karakteristieke temperatuur voor de drempelstroomdichtheid (T₀) van 52,3 K wordt berekend voor de ongedopeerde QD LC-DFB-laser zoals gezien in Fig. 2b, terwijl de T₀ voor p-gedopeerde QD LC-DFB-laser een significante toename vertoont, met name in het temperatuurbereik van 15 tot 50 °C, waarin een oneindige T₀ wordt waargenomen. Bovendien, in dit temperatuurbereik, toont de hellingsefficiëntie bijna geen degradatie (2,6% degradatie voor de ongedopeerde QD LC-DFB-laser), wat een oneindige karakteristieke temperatuur voor de hellingsefficiëntie (T₁) voor p-gedopeerde LC-DFB-laser eveneens aangeeft. Het grote verschil van zowel T₀ als T₁ tussen de ongedopeerde en p-gedopeerde LC-DFB-lasers wordt voornamelijk toegeschreven aan de effecten geïnduceerd door de ingebouwde overtollige gaten door de modulatie p-doping die de thermische verbreding van gaten in de nauw bijeenliggende energieniveaus aanzienlijk kan remmen [21, 22]. Gebaseerd op de bovenstaande resultaten werd de p-gedopeerde QD LC-DFB-laser geselecteerd voor de verdere lasing-spectrakarakterisering.

De inset van Fig. 3 toont een emissiespectrum van de p-gedopeerde LC-DFB-laser van 1 mm in kavelengte gemeten onder I = 2I_th injectieniveau bij kamertemperatuur (KT), en een enkele longitudinale modus lasing 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-gedopeerde LC-DFB-laser, wat een variatiesnelheid van slechts 0,092 nm/K onthult. De hoge-temperatuurstabiliteit van de lasing-golflengte is in goede overeenstemming met de temperatuurcoëfficiënt van de brekingsindex, die ongeveer vijf keer lager is dan die van de materiaalwinsverschuiving.

Onlangs rapporteerden Goshima et al. [10] een 1,3-µm InAs/GaAs QD LC-DFB-laser gefabriceerd door diepe gratingen verticaal geetst in de ruggolfgeleiderstructuur, en lage hellingsefficiënties onder 0,03 W/A en een kleine SMSR van 20 dB werden waargenomen, die voornamelijk te wijten zijn aan de grote golfgeleiderverliezen veroorzaakt door het diepe etsproces. Met een ondiep-geetste gratingstructuur hebben Briggs et al. [23] met succes GaSb-gebaseerde LC-DFB-lasers gefabriceerd met een grotere SMSR van 25 dB. Maar verdere verbetering was beperkt door de lagere koppelingscoëfficiënt door de grote afstand tussen de gratingen en de ruggolfgeleider, wat cruciaal is voor de prestaties van een LC-DFB-laser. In ons werk werden de smalle ruggolfgeleider en de gratingstructuren apart gefabriceerd, wat resulteert in een zeer scherpe en gladde zijkant van de ruggolfgeleider en daarmee weinig golfgeleiderverlies. De ondiepe etsmethode voor de gratingfabricage die in onze experimenten wordt gebruikt, kan de aspectratio van de geetste gratingen scherp verminderen en het maken van de hoogwaardige eerste-orde gratingstructuur mogelijk maken wat een goede koppeling met licht garandeert. Door de dikte van de PMMA-weerstand en de EBL-lithografieparameters zorgvuldig te controleren, werden de stapelingsfenomenen van fotoweerstand aan de zijkant van ruggen effectief verlicht, wat leidt tot de vorming van gratingen strak aangrenzend aan de laserriggolfgeleider. Daarnaast kan de hoge dot-dichtheid van ~4,3 × 10¹⁰ cm⁻² verkregen door optimalisatie van de MBE-epitaxiegroeiparameters en de hoge winst van de QD-assemblages gerealiseerd door de modulatie p-doping en de post-groei annealing-behandeling, de grote 47 dB SMSR van onze LC-DFB-laser verklaren.

Naast de wijdverspreide toepassingen al gedemonstreerd in lange-afstand optische transmissie en golflengtedivisie multiplex (WDM) systemen vanwege de superieure kenmerken van het smalle emissiespectrum en hoge thermische stabiliteit, hebben LC-DFB-lasers ook voordelen getoond 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 goed geschikt voor breed-afstelbare bronnen door twee unieke kenmerken van QD-structuren. Ten eerste leidt de aard van lage dichtheid van toestanden tot de gemakkelijke verzadiging van de GS-niveaus, wat resulteert in de verdere bevolking van de opgewonden toestanden (ES). Ten tweeder kan de dot-groottevariatie worden benut om het afstelbereik uit te breiden, omdat de wijd verspreide grootteverdeling van de zelf-geassembleerde QD-ensemble leidt tot een wijd spectrum van lichtemissie geregeld door het kwantumgrootteeffect.

De LC-DFB-structuur bestaande uit laterale gratingen gefabriceerd onafhankelijk maakt hoge flexibiliteit mogelijk in het definiëren van de ontworpen Bragg-golflengte. Dual-wavelength lasing kan bereikt worden door het fabriceren van twee sets gratingen van verschillende Bragg-periodes Λ₁ en Λ₂ die twee verschillende golflengtes λ₁ en λ₂ mogelijk maken. De hier gerapporteerde methode omvat het definiëren van twee verschillende grating-periodes voor elke kant van de gratingen. De dual-wavelength lasing-metingen werden uitgevoerd onder CW-condities. Stabiele dual-wavelength lasing, met SMSR rond 40 dB, werd waargenomen. Zoals geïllustreerd in Fig. 4a, vertonen de donkercyaan, blauw, rood, en zwarte lijnen lasing-spectra met twee verschillende lasing-golflengtes. Voor een 1-mm LC-DFB-laser met grating-periodeverschil Λ₁ − Λ₂ = 0,10 nm, zijn de twee lasing-golflengtes 1292,40 en 1292,90 nm, respectievelijk, wat een golflengte-afstand van 0,50 nm oplevert corresponderend met het frequentieverschil van ~0,10 THz. Door de grating-periodeverschil af te stellen op 0,64 nm, kan de dual-wavelength-afstand uitgebreid worden tot 4,1 nm wat correspondeert met een klopsfrequentie van 0,74 THz.

Om een groter afstelbereik van de dual-mode lasing te krijgen, werd de kavelengte van LC-DFB-lasers zorgvuldig verkort tot 450 µm, wat resulteert in de gelijktijdige GS en ES lasing door het effect van GS-winstverzadiging en verhoogde bevolking van de ES. De LC-DFB-laserstructuur bestaat uit twee verschillende Bragg-periodes van 182 en 194 nm, respectievelijk, wat vergelijkbaar is met wat in eerdere rapporten werd beschreven [27, 28]. Zoals getoond in Fig. 4b, vertonen de twee longitudinale modi een grote golflengtescheiding van 73,4 nm, corresponderend met het frequentieverschil van 14 THz. Door het implementeren van twee verschillende periodes gratingen lateraal aan een ruggolfgeleider en het subtil verkorten van de kavelengte om ES-lasing toe te staan, konden de InAs/GaAs QD-gebaseerde laserdiodes dual-lasinglijnen emitteren met zeer wijd afstelbare golflengte-afstand van 0,5 tot 73,4 nm corresponderend met 0,10–14 THz frequentieverschil. Vergeleken met andere typen voorgestelde schema's van THz-fotomixen gebaseerd op twee afzonderlijke lasers, biedt ons apparaat de voordelen van eenvoudige structuur, compacte grootte, lage fabricagekosten, en een zeer wijd afstelbereik.

Conclusies

Een 1,3-µm QD LC-DFB-laser met ondiep-geetste gratingen is gefabriceerd, waarin de complexiteit van overgroei en de moeilijkheden van diep-etsprocessen in het algemene fabricageproces van DFB-laser met succes zijn vermeden. Profiterend van de hoge materiaalwinst van QD-monsters bereid met modulatie p-doping, RTA-behandeling, en geoptimaliseerde LC-DFB-laser golfgeleiderstructuur, vertoont het apparaat een grote SMSR van 47 dB en een hoge thermische stabiliteit dλ/dT van 0,092 nm/K. Door het middel van het definiëren van twee verschillende periodes aan de gratingen aan elke kant van de smalle ruggolfgeleider of het verkorten van de laserkaviteit, kunnen twee lasinglijnen gelijktijdig verkregen worden en de afstand tussen de twee lasing-golflengtes kan flexibel en grootschalig worden afgesteld, wat kan worden gewijzigd van 0,5 tot 73,4 nm, corresponderend met het frequentieverschil van 0,10 tot 14 THz. Het is opmerkelijk dat dit wijd afstelbereik gerealiseerd wordt in een enkel laserapparaat, wat tot nu toe niet is gerapporteerd. Deze resultaten tonen de veelbelovende toepassing van LC-DFB-lasers voor het genereren van CW THz-straling.

Afkortingen

CW:

Continuous-wave

DFB:

Distributed feedback

EBL:

Electron-beam lithografie

ES:

Opgewonden toestanden

GS:

Grondstaat

ICP:

Inductief gekoppeld plasma

LC-DFB:

Lateraal gekoppelde distributed feedback

MOCVD:

Metalorganische chemische dampafscheiding

PECVD:

Plasma-geassisteerde chemische dampafscheiding

P-I-V:

Vermogen-stroom-spanning

PMMA:

Polymethylmethacrylaat

QD:

Quantum dot

QW:

Quantum well

RT:

Kamertemperatuur

RTA:

Snelle thermische annealing

SEM:

Scanning elektronenmicroscopie

SMSR:

Zijde-modus-onderdrukkingsverhouding

TEM:

Transmissie-elektronenmicroscopie

WDM:

Golflengtedivisie multiplex