Ontwikkeling van een 1550 nm InAs/GaAs Quantum Dot Saturable Absorber Mirror met een Superlattice Capping-structuur met een korte periode voor Femtosecond Fiber Laser-toepassingen

Methoden

MBE-groei van de InAs/GaAs QD's

Drie InAs/GaAs QD-structuren werden gekweekt met de techniek van moleculaire bundelepitaxie (MBE). Alle monsters bevatten drie perioden van puntlagen, die elk zelf zijn samengesteld uit 2,9 monolagen (ML's) InAs. Zoals getoond in Fig. 1 werden de InAs QD's in monsters 1 en 2 gekweekt op GaAs en een 1-nm In_0.18 Ga_0,82 Als bufferlaag (BL), respectievelijk, en allemaal afgedekt met een 6 nm dikke In_0.33 Ga_0,67 Als laag. Voor monster 3 werden de 2,9 ML's InAs QD's ook gekweekt op een 1 nm dikke In_0,18 Ga_0,82 Als BL maar afgetopt met een 10-nm dikke SSL bestaande uit 5 perioden van In_0,20 Ga_0,80 As (1 nm) en In_0.30 Ga_0,70 Als (1 nm) lagen. De groeitemperatuur en de groeisnelheid van InAs QD's waren respectievelijk 510 °C en 0,01 ML/s. De QD-SESAM's werden gefabriceerd door een dot-laagstructuur te laten groeien op een Distributed Bragg Reflector (DBR) aan de onderkant die 31 paar niet-gedoteerde GaAs (115 nm) en Al_0,98 bevat. Ga_0,02 Als (134 nm) lagen. De groeitemperaturen voor GaAs en InGaAs waren respectievelijk 565 en 530 °C.

Schematische diagrammen van QD-structuren. Schematische diagrammen van drie teststructuren van a voorbeeld 1, b voorbeeld 2 en c monster 3, respectievelijk

Karakterisatiemethoden

PL-metingen werden uitgevoerd bij verschillende temperaturen van 11 tot 300 K met een 532 nm vastestoflaser. De kristallografiestructuren van deze QD-monsters werden gekarakteriseerd met röntgendiffractie met hoge resolutie met behulp van de Cu Ka-emissielijn. De morfologieën van de QD-structuren werden onderzocht met de techniek van atomic force microscope (AFM) in omgevingscondities in een contactloze modus op een Nanoscope Dimension ^TM 3100 SPM AFM-systeem. Transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) -beelden werden verkregen op een 200 KeV JEOL-2010-microscoop.

Resultaten en discussie

Fig. 2a, b en c presenteren de temperatuurafhankelijke PL-spectra van respectievelijk monsters 1, 2 en 3, verkregen bij temperaturen van 11 tot 300 K met een excitatievermogen van 200 mW. Het onthult twee karakteristieke PL-pieken, een smalle piek in het korte golflengtegebied en een brede bij de lange golflengte. De smalle piek gepositioneerd rond 1170 nm bij 11 K en ongeveer 1280 nm bij 300 K is afkomstig van de luminescentie van de CL's, terwijl de brede piek op ongeveer 1550 nm bij 300 K wordt toegeschreven aan de QD-emissie. Zoals weergegeven in figuur 2a, kan bij de lagere temperaturen alleen de CL-emissie worden waargenomen, en de emissie bij ongeveer 1550 nm van de InAs QD's begint te verschijnen wanneer de temperatuur stijgt tot 250 K en wordt geleidelijk sterker naarmate de temperatuur verder stijgt . Het vergelijkbare gedrag wordt ook waargenomen met monster 2, zoals weergegeven in figuur 2b. Over het algemeen domineert voor InAs/GaAs QD-structuren die zijn ontworpen voor emissie met kortere golflengte (bijv. 1300 nm), de emissie van QD's de PL-spectra bij lage temperaturen, en de emissie van CL's of bevochtigende lagen kan nauwelijks worden waargenomen. Dit komt door de lagere energieniveaus van de QD-structuren en verminderde thermische ontsnapping van dragers uit de QD's bij lage temperaturen [36]. Met de toename van de temperatuur neemt de emissie-intensiteit van QD's geleidelijk af vanwege de verbeterde thermische ontsnapping van dragers uit QD's. In opmerkelijk contrast met de InAs/GaAs QD's die zijn ontworpen voor 1310 nm-toepassingen, vertonen onze monsters voor 1550 nm volledig tegengesteld temperatuurafhankelijk lichtemissiegedrag, wat wijst op een onderscheidende dragerdynamiek in dit nieuwe QD-systeem. Zoals weergegeven in figuur 2e, is de bandgap van de QD's veel smaller dan die van de CL's en de laagste energieniveaus voor elektronen en gaten bevinden zich allemaal in de QD-structuur, en daarom wordt verwacht dat de door foto gegenereerde dragers zich bij voorkeur bevinden in de QD's na het ontspannen van hun buitensporige energieën. Het waargenomen PL-resultaat is echter dat de CL-emissie de PL domineert en dat de QD-emissie onzichtbaar is bij een temperatuur lager dan 250 K, wat laat zien dat bij lage temperaturen de fotogegenereerde dragers dominant zijn opgesloten in de CL's in plaats van in de QD's. Dit feit kan worden verklaard door de ernstige-carrierrelaxatieblokkerende effecten dat er te weinig fononen deelnemen aan het dragerverstrooiingsproces, wat resulteert in de lage relaxatie-efficiëntie van de dragers van de CL's naar QD's. Met de temperatuurstijging worden meer fononpopulaties thermisch geëxciteerd en wordt de interactie van fononen met door foto gegenereerde dragers geleidelijk verbeterd, wat leidt tot meer dragers die van CL's naar de QD's worden verspreid. De sterkste PL-intensiteit van de QD-emissie bij 1550 nm die bij RT verschijnt, geeft aan dat het energierelaxatieproces van de dragers van CL's naar QD's het thermische ontsnappingsproces van QD's naar CL's domineert.

Materiaalkarakterisering en schematisch banddiagram. PL-spectra gemeten bij 11-300 K van a voorbeeld 1, b voorbeeld 2 en c monster 3, respectievelijk. d /2θ-scans met hoge resolutie die de GaAs (008)-substraatpiek en CL-diffractiepatroon tonen voor respectievelijk monsters 1, 2 en 3. Schematisch banddiagram voor e voorbeeld 2 en f monster 3, respectievelijk

De PL-karakteriseringen van monsters 1 en 2 laten zien dat in het InAs/GaAs QD-systeem dat is ontworpen voor 1550 nm-toepassingen, een inefficiënte dragerrelaxatiekarakteristiek bestaat en dat een grotere fonondichtheid de dragerrelaxatie tot aan QD's bevordert. In wezen is het relaxatieproces van de zwakke drager geworteld in de elektronische bandstructuren die worden bepaald door de CL. De QD-materialen waarin hun bandoffsets veel groter zijn dan de longitudinale optische (LO) fonon-energieën van de CL's en de dragers in de CL's moeten ontspannen tot de QD-niveaus door meerdere fononen uit te zenden in plaats van slechts één. Het zwakke carrier-relaxatieproces kan niet worden geëlimineerd in de InAs / GaAs QD's voor 1550 nm vanwege de veel grotere bandoffset in de CL- en QD-bandstructuur, maar we kunnen het meervoudige fonon-verstrooiingsproces wijzigen door de elektronische bandstructuren aan te passen en de fononbandstructuren. Om dit doel te bereiken voor het verbeteren van de carrier-relaxatie in de 1550-nm QD's, hebben we een (In_0,20 Ga_0,80 Als/In_0.30 Ga_0,70 Als)₅ SSL-structuur als de CL's ter vervanging van de InGaAs CL's. De SSL CL's zullen naar verwachting meer fonon-vibratiemodi en veel grotere fonon-dichtheden bieden vanwege de Brillouin-zonevouweffecten in SSL [37]. Zoals getoond in Fig. 1c, werd monster 3 gekweekt met dezelfde structuur als monster 2, behalve het gebruik van vijf perioden van 10 nm dikke In_0,20 Ga_0,80 Als/In_0.30 Ga_0,70 Net zo SSL's als de CL's. Figuur 2d toont de verkregen XRD-patronen voor monsters 1, 2 en 3. Alle monsters vertonen een sterke piek bij 66,1 °, die kan worden toegeschreven aan de diffractie van de (008) vlakken van kubische GaAs. Duidelijke satellietpieken als gevolg van de 6 nm dikke In_0.33 Ga_0,67 Aangezien de CL-structuur wordt waargenomen bij ongeveer 64,0° voor monsters 1 en 2. Bij nadere inspectie blijkt dat In_0,20 Ga_0,80 Als/In_0.30 Ga_0,70 Aangezien SSL in monster 3 een satellietpiek vertoont rond 64,4°, en de verschuiving naar grotere graden ten opzichte van die van In_0.33 Ga_0,67 Aangezien CL's een afname van het gemiddelde In-gehalte suggereren [38, 39]. Om het effect van SSL CL's op de optische eigenschappen van de InAs/GaAs QD's te begrijpen, worden ook temperatuurafhankelijke PL-spectra voor monster 3 gemeten zoals weergegeven in figuur 2c. Net als bij monster 1 en 2 kan er geen duidelijke PL-emissie bij 1550 nm van de InAs/GaAs QD's worden waargenomen bij temperaturen lager dan 200 K en de emissie wordt geleidelijk intenser bij hogere temperaturen. Het is vermeldenswaard dat de QD-emissiepiek bij 1550 nm in monster 3 naar voren komt bij een veel lagere temperatuur van 200 K (ongeveer 250 K voor monsters 1 en 2). De relatieve intensiteit met betrekking tot de CL-emissie bij RT is veel hoger dan die van monsters 1 en 2, en de PL-intensiteit is ongeveer 10 keer sterker dan die van monster 2. Deze resultaten geven aan dat de SSL-CL's de dragerrelaxatie van de CL's tot aan de QD's, wat resulteert in een sterk verbeterde stralingsrecombinatie in de QD's. De reden die verantwoordelijk is voor de verbeterde carrier-relaxatie van de CL's naar de QD's ligt in hoogwaardige SSL-CL's met het verminderde indiumgehalte. Dit moduleert effectief het relaxatiegedrag van de drager en verbetert de opname van dragers door de QD's.

Om meer inzicht te krijgen in het multi-phonon-gefaciliteerde dragersverstrooiingsproces, worden de bandstructuren van het InAs/GaAs QD-systeem met verschillende soorten CL's vergeleken. Voor de eenvoud kan het energieverschil tussen de CL- en QD-bandgaps worden geschat als het verschil in hun PL-piekenergieën. Zoals getoond in Fig. 2e en f, worden de bandgap-verschillen in monster 2 en 3 tussen de CL en de InAs QD's bij 300 K bepaald als respectievelijk 143 en 114  meV, volgens de PL-metingen. Met de aanname dat de bandoffsets ongeveer 60% zijn van energetische verschillen tussen geleidingsbanden van CL en QD's [40], moeten elektronen 86 en 68 meV ontspannen voor respectievelijk monster 2 en monster 3, om te worden verstrooid vanuit de energieniveaus van de afdeklagen tot de laagste energieniveaus van de InAs QD's. De fonon-energieën van de LO- en longitudinale akoestische (LA) -modi in de InGaAs-legeringen zijn 34 en 9 meV [40, 41]. Voor het meervoudige fononverstrooiingsproces kan de combinatie van 2 LO-fonons in monster 3 de verstrooiing van een elektron van de CL's naar QD's vervullen, terwijl 2 LO-fonons plus 1 LO- of 2 LA-fonons nodig zijn voor monster 2. Er is aangetoond dat de snelheid van elektronenrelaxatie wordt sterk verminderd wanneer meer fonon-modi betrokken zijn bij een meervoudig fonon-verstrooiingsproces [42,43,44,45]. Daarom is de elektronenrelaxatiesnelheid in monster 3 groter dan die in monster 2, wat de sterk verbeterde PL-intensiteit van de QD's in monster 3 verklaart. Eigenlijk is het verminderde In-gehalte in de SSL CL's en het verzwakte fonon-bottleneck-effect in de het carrier-relaxatieproces zijn de belangrijkste redenen voor de verhoogde PL-intensiteit van de QD's in monster 3.

Om het verbeterde carrier-relaxatie-effect veroorzaakt door de SSL CL's verder te verifiëren, werden excitatievermogenafhankelijke PL-spectra verkregen bij 300 K. Zoals getoond in Fig. 3a, b en c, de PL-intensiteit van de CL (Peak 1) en InAs QD (piek 2) pieken nemen geleidelijk toe met het verhoogde excitatievermogen, en er kan geen duidelijke verschuiving van de piekposities worden waargenomen. Het is duidelijk waargenomen dat de intensiteit van Piek 1 veel sterker is dan die van Piek 2 in monster 1 en 2 zoals getoond in Fig. 3a en b bij het hogere excitatievermogen, terwijl monster 3 een veel sterkere QD-emissie vertoont in alle gemeten excitatie vermogensbereik. De PL-intensiteitsverhoudingen van piek 2 en piek 1 van deze monsters als functie van het excitatievermogen werden samengevat in figuur 3d. Bij het excitatievermogen van 2000 mW blijken de PL-intensiteitsverhoudingen van piek 2 en piek 1 0,21 en 0,29 te zijn, overeenkomend met respectievelijk monster 1 en 2, zoals weergegeven in figuur 3d. Het geeft aan dat veel dragers recombineren in InGaAs CL en dat de dragerrelaxatie van de afdeklaag naar InAs QD's ernstig wordt belemmerd vanwege de inefficiënte dragerrelaxatiesnelheid. Vergeleken met monster 1 kan de laagintensiteitsverhouding van piek 2 tot piek 1 in monster 2 worden toegeschreven aan de hogere puntdichtheid die wordt bereikt door meer nucleatiecentra veroorzaakt door de In_0,18 Ga_0,82 Als bufferlaag [24]. De intensiteit van piek 2 in monster 3 is ongeveer 2,1 keer sterker dan die van piek 1 bij het excitatievermogen van 2000 mW, wat wijst op een sterk verbeterde efficiëntie van de dragerrelaxatie in de SSL-capped InAs QD's. Bovendien is gebleken dat, hoewel het gemiddelde In-gehalte ongeveer 25% is in de SSL-afdeklaag, wat kleiner is dan 33% in de CL's van monsters 1 en 2, de emissiegolflengte van piek 1 (bij ~1337 nm) in monster 3 is iets langer dan dat (bij ~ 1310 nm) voor monsters 1 en 2. We waren van mening dat de belangrijkste reden voor de resultaten het verminderde kwantumbegrenzingseffect is in de veel dikkere (10  nm) SSL-laag in vergelijking met de 6-nm InGaAs afdeklaag.

Vermogensafhankelijke PL-metingen. Vermogensafhankelijke PL-spectra bij kamertemperatuur gemeten bij 20-2000 mW van a voorbeeld 1, b voorbeeld 2 en c monster 3, respectievelijk. d Intensiteitsradio van piek 2/piek 1 versus pompvermogen in respectievelijk monsters 1, 2 en 3.

Op basis van de goede optische eigenschappen die zijn verkregen in de SSL-capped InAs/GaAs QD's, demonstreren we verder de toepassing ervan als een QD-SESAM voor femtoseconde pulsgeneratie. De 1550 nm SSL-capped InAs/GaAs QD-SESAM bestaat uit één laag SSL-capped InAs/GaAs QD's als absorptielaag en een onderste DBR-spiegel gemaakt van 31 perioden van niet-gedoteerde GaAs (115 nm) en Al_0.98 Ga_0,02 Als (134 nm) lagen. De gedetailleerde structuur van de QD-SESAM wordt geïllustreerd door de transversale TEM-afbeelding zoals weergegeven in Fig. 4. De gemiddelde puntdichtheid van de QD's in de absorptielaag wordt geschat op 4,4 × 10 ¹⁰ cm ^-2 , en de gemiddelde hoogte en laterale grootte van de stip zijn respectievelijk 7,5 en 40 nm, zoals te zien is in het AFM-beeld in Fig. 4. De SESAM wordt gekenmerkt met een typische gebalanceerde opstelling met twee detectoren [46] en een verzadigingsintensiteit van 13,7 MW /cm ² en een niet-lineaire modulatiediepte van 1,6% worden bereikt. Zoals weergegeven in Fig. 4, hebben we met de QD-SESAM in de EDF-laserholte geplaatst, een passief-mode-locked laser geconstrueerd. Met een standaard single-mode vezel van 23,75 m en een EDF van 0,75 m als versterkingsmedium, is de verkregen holte 24,5 m lang. Een halfgeleider DFB-laserdiode (LD) die uitzendt bij 980 nm dient als pompbron, en een 980/1550  m golflengteverdelingsmultiplexer (WDM) wordt gebruikt om de pompenergie in de fiberlaserholte te koppelen. Een polarisatie-onafhankelijke isolator (PI-ISO) en een polarisatiecontroller (PC) worden gebruikt om respectievelijk eenrichtingstransmissie van het licht te garanderen en de modusvergrendelingstoestand in de holte te optimaliseren. Poort 1 van een 1550-nm optische circulatiepomp (CIR) is verbonden met de pc, poort 2 is verbonden met de QD-SESAM en poort 3 van deze CIR is verbonden met de 10/90 output coupler (OC) (10% output en 90% input).

Experimentele opstelling van mode-locked fiberlaser met 1550 nm QD-SESAM. Inzet:transversaal TEM-beeld van de QD-SESAM en 1 × 1 μm ² AFM-beeld van de 1550-nm QD's

Het modusvergrendelingsgedrag kan worden bereikt wanneer het pompvermogen hoger is dan 50 mW. Zoals weergegeven in figuur 5a, neemt het uitgangsvermogen van deze laser met modusvergrendeling lineair toe met het verhoogde pompvermogen en is de hellingsefficiëntie ongeveer 4,82%, bepaald door de lineaire aanpassingsbehandeling. Zoals weergegeven in figuur 5b, werd het typische spectrum van de conventionele soliton met een bandbreedte van 3 dB van 3,2 nm waargenomen. De centrale golflengte is 1556 nm. Het RF-spectrum met een herhalingssnelheid van 8,16 MHz wordt getoond in Fig. 5c, wat overeenkomt met de holtelengte van 24,5 m. De signaal-ruisverhouding is ongeveer 51 dB, wat wijst op het grote potentieel om een ​​stabiele modusvergrendeling te bereiken met de SSL-capping QD-SESAM's. Lange tijd stabiele modusvergrendelingsmetingen werden uitgevoerd bij het drempelpompvermogen van 50 mW en meer dan 1 week stabiele continue werking werd bereikt. Fig. 5d is het autocorrelatiespoor uitgerust met een Gaussiaans aanpassingsprofiel, dat de werkelijke pulsduur van ongeveer 920 fs illustreert. Ter vergelijking, met de QD-SESAM gebaseerd op de structuur zoals in monster 2 met een verzadigingsintensiteit van 15,7 MW/cm ² en een niet-lineaire modulatiediepte van 0,4%, en de laser met modusvergrendeling genereert pulsen van 2,7 ps breed [47]. De veel kortere pulsduur die wordt bereikt met op QD-SESAM gebaseerde SSL-capped QD's kan worden toegeschreven aan de verhoogde modulatiediepte, en we waren van mening dat de verbeterde efficiëntie van de carrierrelaxatie die wordt veroorzaakt door SSL-capping-lagen de verminderde verzadigingsintensiteit verklaart. Bovendien zijn er vijf andere SSL-capped QD-SESAM's geselecteerd om de mode-locked fiberlasers te construeren, en alle mode-locked lasers hebben langdurige stabiliteit vertoond, waarmee de hoge herhaalbaarheid en betrouwbaarheid van de SESAM's wordt aangetoond.

Kenmerken van mode-locked de ontwikkelde fiberlaser. een Uitgangsvermogen versus pompvermogen. b Uitgang optische spectra. c RF-spectrum van de mode-locked fiberlaser. d Autocorrelatiespoor