Láser DFB de modo dual InAs/GaAs puntos cuánticos para aplicaciones THz de onda continua de amplio ajuste

Resumen

En este trabajo, se ha fabricado un láser de realimentación distribuida acoplado lateralmente (LC-DFB) basado en estructuras de puntos cuánticos (QD) InAs/GaAs múltiples dopadas tipo p por modulación. El dispositivo exhibe una alta relación de supresión de modo lateral (SMSR) de > 47 dB y una alta estabilidad térmica de dλ/dT = 0,092 nm/K bajo operación de onda continua (CW), atribuida principalmente a la alta ganancia material preparada por dopaje p por modulación y proceso de recocido térmico rápido (RTA), y a las pérdidas de guía de onda significativamente reducidas por rejillas grabadas superficialmente y su proximidad a la cresta del láser en el láser LC-DFB. Con este rendimiento superior del láser DFB, se ha obtenido operación láser de doble longitud de onda de amplio ajuste definiendo delicadamente diferentes períodos para las estructuras de rejilla en los dos lados de la cresta del láser o combinando la longitud de cavidad reducida. El espaciado de longitud de onda entre los dos modos láser puede ajustarse flexiblemente en un rango muy amplio de 0,5 a 73,4 nm, correspondiente a diferencia de frecuencia de 0,10 a 14 THz, que es el rango de ajuste más grande utilizando un solo dispositivo y por tanto proporcionando una nueva oportunidad hacia la generación de radiación THz CW.

Antecedentes

Los láseres de realimentación distribuida (DFB) son tecnológicamente significativos por su amplia gama de aplicaciones en comunicación óptica de fibra de larga distancia y radiación terahercio (THz) debido a su espectro de emisión estrecho y longitud de onda de emisión estabilizada [1,2,3]. Grandes esfuerzos y diversos intentos se han hecho en la última década para perseguir láseres DFB de alto rendimiento, y los láseres DFB basados en puntos cuánticos (QD) han exhibido rendimientos ventajosos como corriente umbral baja, alta eficiencia cuántica, amplio rango de ajuste de longitud de onda y estabilidad a alta temperatura sobre dispositivos comerciales basados en pozos cuánticos [4,5,6]. El dopaje p por modulación en estructuras láser QD ha demostrado ser un método efectivo para mejorar aún más el rendimiento del láser QD incluyendo estabilidad de temperatura [7] y características de modulación de alta velocidad [8] debido a la ganancia de estado fundamental (GS) significativamente mejorada. Además, se ha encontrado que el recocido térmico rápido (RTA) es otra forma eficiente de optimizar la calidad del material y propiedades ópticas de los ensamblajes QD, debido a la reducción de defectos puntuales y dislocaciones producidos durante el crecimiento epitaxial. El proceso de fabricación convencional de un láser DFB usualmente requiere dos pasos de crecimiento epitaxial de alta calidad [9]. Stubenrauch et al. reportaron la fabricación de un láser DFB QD de 1,3-µm que muestra alto rendimiento estático y dinámico; sin embargo, tras la fabricación de una estructura de rejilla Bragg y crecimiento epitaxial de capa de revestimiento inferior y región activa, se requiere un paso de re-crecimiento epitaxial por deposición química de vapor metalorgánico (MOCVD) para completar la estructura láser completa, llevando a muchos factores complejos e inciertos [1]. Para evitar el proceso de re-crecimiento, Goshima et al. propusieron una estructura láser DFB acoplada lateralmente (LC-DFB) basada en QD que se realizó grabando profundamente la rejilla verticalmente en la guía de onda de cresta, pero se observaron bajas eficiencias diferenciales por debajo de 0,03 W/A y pequeña relación de supresión de modo lateral (SMSR) de 20 dB debido a grandes pérdidas de guía de onda [10]. Las pérdidas de guía de onda provienen principalmente del proceso de grabado profundo, por el cual la estructura de rejilla de alta calidad y uniforme es muy difícil de realizar debido a los problemas técnicos de requisito de alta relación de aspecto (normalmente 20:1) en proceso de grabado seco o húmedo [11]. Así, para realizar un láser DFB de super alto rendimiento, es necesario encontrar una forma de combinar la región activa QD optimizada con estructura de guía de onda de dispositivo mejorada.

Las fuentes de radiación de frecuencia terahercio (THz) han atraído considerable atención por sus prósperas aplicaciones médicas, agrícolas, ambientales y de seguridad [12, 13] y la operación de onda continua (CW) sintonizable en frecuencia de la fuente de radiación THz con tamaño compacto y bajo costo es especialmente deseada. Recientemente, diversos láseres de modo dual semiconductores han sido estudiados para el objetivo de desarrollar una fuente de batido óptico para fotomixing THz. El ajuste amplio de frecuencia ha sido demostrado usando láseres de cavidad externa que emiten dos líneas de diferentes longitudes de onda simultáneamente [14, 15]. Sin embargo, las partes móviles mecánicas en el sistema láser de cavidad externa no son ni convenientes ni estables para ajuste de longitud de onda. Señales THz CW también pueden generarse usando dos haces láser DFB independientes de frecuencias ligeramente diferentes. Esta técnica ha emergido como una excelente opción para generar radiación THz beneficiándose del espectro de emisión muy estrecho y longitud de onda de emisión estabilizada de diodos láser DFB [3, 16,17,18]. Además de esas configuraciones reportadas para fotomixing THz, la emisión simultánea de dos líneas láser sintonizables desde una sola cavidad láser DFB es muy atractiva debido a su compacidad, alta estabilidad de temperatura y alta calidad espectral [3, 19].

En este trabajo, las estructuras láser InAs/GaAs QD múltiples se crecieron por epitaxia de haz molecular (MBE), y dopaje p por modulación se aplicó a la región activa QD. Tras el crecimiento epitaxial, las muestras QD se trataron por un proceso de recocido post-crecimiento. Para evitar el paso de sobrecrecimiento y reducir la relación de aspecto en grabado de rejilla, el láser LC-DFB se fabricó con rejillas grabadas superficialmente. Los láseres LC-DFB de rejilla poco profunda basados en QDs dopados p exhiben una alta eficiencia diferencial de 0,2 W/A, una gran SMSR de 47 dB y una alta estabilidad térmica dλ/dT de 0,092 nm/K. Además, el láser de modo dual se obtuvo exitosamente con los láseres LC-DFB fabricando dos conjuntos de rejillas de diferentes períodos, y las longitudes de onda láser pueden manipularse simplemente modificando delicadamente los períodos de rejilla, lo que permite un ajuste de rango grande de la diferencia de frecuencia de los dos modos láser de 0,10 a 14 THz. Nuestro trabajo demuestra las aplicaciones prometedoras de láseres LC-DFB basados en QD para comunicación óptica de fibra de larga distancia y fuentes de radiación THz CW.

Métodos

Preparación y Caracterización de Materiales

Las estructuras láser InAs/GaAs QD se crecieron sobre sustratos GaAs (100) dopados Si por un sistema MBE. La región activa de la estructura láser son ocho capas de QD separadas por barreras GaAs de 33 nm espesor. Cada capa QD comprende 2,7 ML InAs cubiertos con capa reductora de deformación InGaAs de 6 nm espesor. Y toda la región activa está entre capas de revestimiento de ~2800 nm n-Al₀,₃Ga₀,₇As inferior y ~1800 nm p-Al₀,₃Ga₀,₇As superior. La deposición de InAs a temperatura de crecimiento 510 °C y tasa 0,01 ML/s. El dopaje p por modulación con Be se condujo en capa de 6 nm ubicada en capa espaciadora GaAs 10 nm debajo de cada capa QD, y la concentración de dopaje se controló a 25 aceptores por punto. La imagen TEM transversal de capas InGa/GaAs QD se muestra en Fig. 1a. La densidad de InAs/GaAs QDs se determinó en 4 × 10¹⁰ cm⁻² por medición de microscopía de fuerza atómica. El tratamiento RTA se realizó en ambiente N₂ a temperatura 700 °C por 45 s. Las muestras QD fueron protegidas por una tapa de proximidad GaAs durante el proceso de recocido.

Diseño, Fabricación y Caracterización de LC-DFB

El diagrama esquemático de la estructura láser LC-DFB diseñada se muestra en Fig. 1a. Este enfoque de diseño permite la fabricación de láseres LC-DFB con solo una ronda de crecimiento epitaxial y reduce la relación de aspecto en grabado de rejilla óptica. La formación de la guía de onda de cresta estrecha y su estructura de rejilla acoplada lateralmente se divide en dos pasos de procesamiento, diferente del proceso de litografía definitoria tradicional [1, 9, 10]. La fabricación de la rejilla acoplada lateralmente requiere grabado superficial y eso reduce la alta relación de aspecto en grabado seco demandada por el enfoque de grabado profundo tradicional. Además, grabar las rejillas solo unas centenas de nanómetros en los semiconductores permite realizar estructuras de rejilla con tamaños de característica muy pequeños como rejilla de primer orden y por tanto proporciona una nueva oportunidad para desarrollar estructuras de dispositivo ingeniosas hacia aplicaciones THz.

Refiriéndose al principio de acoplamiento LC-DFB, es bien conocido que la proximidad de las rejillas a la cresta es un factor clave que influye grandemente en el rendimiento láser [20]. En el proceso de fabricación, tras definir primero la guía de onda de cresta, la muestra para litografía de haz de electrones (EBL) tiene una diferencia de altura respecto a la guía de onda, y la fotorresistencia se apilará junto a la pared lateral durante EBL, lo que dificulta la formación de rejilla adyacente a la cresta. Para resolver el problema del recubrimiento no uniforme de fotorresistencia y formar una rejilla de alta calidad patrón por EBL, el espesor de resist polimetilmetacrilato (PMMA) se seleccionó cuidadosamente para ser tan delgado como 75 nm, optimizado para permitir que la calidad de la rejilla alcance sus puntos de equilibrio. El láser LC-DFB se fabricó mediante los siguientes procedimientos. Primero, una capa SiO₂ de 75 nm se depositó sobre la estructura epitaxial por deposición química de vapor mejorada por plasma (PECVD), que actúa como capa protectora de grabado para el grabado superficial de rejillas. La estructura de guía de onda de cresta se patrón usando litografía óptica y se grabó a profundidad alrededor de 1,75 µm con técnica de plasma acoplado inductivamente (ICP) con mezcla de gases Cl₂ y BCl₃. Con la estructura de guía de onda definida, la capa de revestimiento p-AlGaAs superior se grabó adicionalmente por grabado húmedo que se detuvo a ~280 nm sobre las regiones activas QD. Después, la muestra se recubrió por centrifugado con resist PMMA (peso molecular 950 K y espesor 75 nm) y horneó 90 s a 180 °C. La rejilla de primer orden se definió junto a la guía de onda de cresta por EBL, y luego la imagen de resist se transfirió al AlGaAs por grabado seco ICP. Las tasas de grabado de resist PMMA y AlGaAs fueron aproximadamente 5 nm/s y 10 nm/s respectivamente. Una imagen de microscopía electrónica de barrido (SEM) de la estructura LC-DFB fabricada se muestra en Fig. 1b. Beneficiándose de la cuidadosa selección de dosis de exposición EBL y la aliviada apilación de fotorresistencia debido al resist delgado, las rejillas están firmemente vinculadas a la guía de onda de cresta láser, como revela el inset de Fig. 1b. La profundidad de grabado de rejilla es 135 nm, y el período de rejilla es 194 nm. Para lograr un láser de doble longitud de onda sintonizado precisamente y ampliamente, se fabricaron dos períodos Bragg diferentes para rejillas laterales en los dos lados de la guía de onda de cresta. La capa de contacto óhmico en la guía de onda de cresta fue completamente protegida por la capa protectora SiO₂ de 75 nm para asegurar contacto óhmico sobreviviendo durante el proceso de grabado ICP. La rejilla poco profunda se controló a 150 nm sobre el rango activo QD para formar buen acoplamiento con luz. Para aislamiento y planarización, otra capa SiO₂ se depositó en la muestra con PECVD tras grabar las rejillas. Finalmente, grabado seco de iones reactivos (RIE) se empleó para abrir ventana de contacto en SiO₂. Ti/Au y Au/Ge/Ni/Au se depositaron luego para formar contactos óhmicos superior e inferior respectivamente. Los sustratos se adelgazaron a alrededor de 80 µm para minimizar efecto de auto-calentamiento. Cavidades láser de 1 y 0,45 mm largo se fabricaron, y las facetas emisoras no fueron recubiertas. Las barras láser se montaron con lado p arriba sobre disipador de cobre, y todas las mediciones se realizaron bajo operación CW.

Resultados y Discusión

La Figura 2a muestra una característica típica potencia-corriente-voltaje (P-I-V) del láser LC-DFB fabricado basado en estructura QD múltiple dopada p por modulación. El láser muestra una eficiencia diferencial obvia de 0,20 W/A y umbral bajo de 33 mA, revelando alta calidad material y alta ganancia óptica de la estructura QD. La densidad de corriente umbral y eficiencia diferencial respecto a temperatura para láseres LC-DFB QD sin dopar y dopados p se presentan en Fig. 2b, c respectivamente. La temperatura característica para densidad de corriente umbral (T₀) de 52,3 K se calcula para láser LC-DFB QD sin dopar como se ve en Fig. 2b, mientras T₀ para láser LC-DFB QD dopado p tiene aumento significativo, especialmente en rango temperatura 15-50 °C, donde se observa T₀ infinito. Además, en este rango temperatura, la eficiencia diferencial muestra casi ninguna degradación (degradación 2,6% para láser LC-DFB QD sin dopar), indicando temperatura característica infinita para eficiencia diferencial (T₁) para láser LC-DFB dopado p también. La gran diferencia de ambos T₀ y T₁ entre láseres LC-DFB sin dopar y dopados p se atribuye principalmente a efectos inducidos por huecos en exceso incorporados debido al dopaje p por modulación que pueden inhibir significativamente el ensanchamiento térmico de huecos en niveles de energía estrechamente espaciados [21, 22]. Basado en los resultados anteriores, el láser LC-DFB QD dopado p fue seleccionado para ulterior caracterización de espectros láser.

El inset de Fig. 3 muestra un espectro de emisión del láser LC-DFB dopado p de 1 mm en longitud de cavidad medido bajo I = 2I_th nivel de inyección a temperatura ambiente (RT), y se puede observar un modo longitudinal único láser a 1292,4 nm con SMSR muy grande de 47 dB. La Figura 3 muestra la longitud de onda de emisión como función de temperatura de operación del láser LC-DFB dopado p, revelando tasa variación de solo 0,092 nm/K. La alta estabilidad térmica de la longitud de onda láser está en buen acuerdo con el coeficiente de temperatura del índice de refracción, que es unas cinco veces menor que el del desplazamiento de ganancia material.

Recientemente, Goshima et al. [10] reportaron un láser LC-DFB QD InAs/GaAs de 1,3-µm fabricado por rejillas profundas grabadas verticalmente en estructura de guía de onda de cresta, y se observaron bajas eficiencias diferenciales por debajo 0,03 W/A y pequeña SMSR de 20 dB, principalmente debido a grandes pérdidas de guía de onda causadas por proceso grabado profundo. Con estructura de rejilla poco profunda, Briggs et al. [23] fabricaron exitosamente láseres LC-DFB basados en GaSb con SMSR mayor de 25 dB. Pero mejora adicional fue limitada por coeficiente de acoplamiento menor debido a gran distancia entre rejillas y guía de onda de cresta, crucial para rendimiento láser LC-DFB. En nuestro trabajo, la guía de onda de cresta estrecha y estructuras de rejilla se fabricaron por separado, resultando en pared lateral muy aguda y suave de la guía de onda de cresta y por tanto poca pérdida de guía de onda. El método de grabado superficial para fabricación de rejilla empleado en nuestros experimentos puede reducir agudamente la relación de aspecto de rejillas grabadas y permitir la fabricación de estructura de rejilla de primer orden de alta calidad que asegura buen acoplamiento con luz. Controlando cuidadosamente el espesor del resist PMMA y parámetros de litografía EBL, los fenómenos de apilamiento de fotorresistencia junto a la pared lateral de crestas fueron efectivamente aliviados, lo que conduce a formación de rejillas firmemente adyacentes a la guía de onda de cresta láser. Además, la alta densidad de puntos ~4,3 × 10¹⁰ cm⁻² obtenida optimizando parámetros de crecimiento epitaxial MBE y la alta ganancia de ensamblajes QD realizada por dopaje p por modulación y tratamiento de recocido post-crecimiento pueden explicar la gran SMSR de 47 dB de nuestro láser LC-DFB.

Además de las aplicaciones extendidas ya demostradas en transmisión óptica de larga distancia y sistemas multiplexado por división de longitud de onda (WDM) debido a las características superiores de espectro de emisión estrecho y alta estabilidad térmica, los láseres LC-DFB también han demostrado ventajas para generar radiación THz CW. Comparado con el método tradicional de crear radiación THz usando dos diodos láser independientes [24,25,26], los láseres LC-DFB con emisión simultánea de dos modos son muy atractivos para fabricar fuentes radiación THz debido a rentabilidad, compacidad, alta estabilidad y alta calidad espectral. En contraste a láseres pozo cuántico (QW), emisores basados en QD son adecuados para fuentes sintonizables de banda ancha debido a dos características únicas de estructuras QD. Primero, la naturaleza de baja densidad de estados conduce a fácil saturación de niveles GS, resultando en mayor población de estados excitados (ES). Segundo, la variación de tamaño de puntos puede utilizarse para extender rango ajuste, debido a que la amplia distribución de tamaño del ensamblaje QD auto-ensamblado conduce a amplio espectro de emisión de luz gobernado por efecto de tamaño cuántico.

La estructura LC-DFB compuesta de rejillas laterales fabricadas independientemente permite alta flexibilidad en definir la longitud de onda Bragg diseñada. El láser de doble longitud de onda puede lograrse fabricando dos conjuntos de rejillas de diferentes períodos Bragg Λ₁ y Λ₂ que permiten dos diferentes longitudes de onda λ₁ y λ₂. El método reportado aquí involucra definir dos diferentes períodos de rejilla para cada lado de las rejillas. Las mediciones de láser doble longitud de onda se realizaron bajo condiciones CW. Láser dual de longitud de onda estable, con SMSR alrededor 40 dB, se observó. Como se ilustra en Fig. 4a, las líneas cian oscuro, azul, rojo y negro exhiben espectros láser con dos diferentes longitudes de onda láser. Para láser LC-DFB 1-mm con diferencia período rejilla Λ₁ - Λ₂ = 0,10 nm, las dos longitudes de onda láser son 1292,40 y 1292,90 nm respectivamente, produciendo espaciado longitud de onda 0,50 nm correspondiente a diferencia frecuencia ~0,10 THz. Ajustando la diferencia período rejilla a 0,64 nm, el espaciado dual-longitud de onda puede extenderse a 4,1 nm correspondiente a frecuencia batido 0,74 THz.

Para obtener un rango ajuste mayor del láser modo dual, la longitud cavidad láseres LC-DFB se acortó cuidadosamente a 450 µm, resultando en láser simultáneo GS y ES debido al efecto saturación ganancia GS y aumento población ES. La estructura láser LC-DFB consiste en dos diferentes períodos Bragg 182 y 194 nm respectivamente, similar a lo descrito en reportes previos [27, 28]. Como se muestra en Fig. 4b, los dos modos longitudinales exhiben gran separación longitud de onda 73,4 nm, correspondiente a diferencia frecuencia 14 THz. Implementando dos diferentes períodos rejilla lateralmente a una guía de onda de cresta y acortando delicadamente la longitud cavidad para permitir láser ES, los diodos láser basados en InAs/GaAs QD podrían emitir líneas láser dual de espaciado longitud de onda muy amplio sintonizable de 0,5 a 73,4 nm correspondiente a 0,10-14 THz diferencia frecuencia. Comparado con otros tipos de esquemas propuestos de fotomixing THz basados en dos láseres separados, nuestro dispositivo ofrece ventajas de estructura simple, tamaño compacto, bajo costo fabricación y rango ajuste muy amplio.

Conclusiones

Un láser QD LC-DFB 1,3-µm con rejillas grabadas superficialmente ha sido fabricado, en el cual la complejidad del sobrecrecimiento y las dificultades de procesos grabado profundo en proceso fabricación general láser DFB son evitadas exitosamente. Beneficiándose de la alta ganancia material de muestras QD preparadas con dopaje p por modulación, tratamiento RTA y estructura guía de onda láser LC-DFB optimizada, el dispositivo exhibe gran SMSR 47 dB y alta estabilidad térmica dλ/dT 0,092 nm/K. Mediante definir dos diferentes períodos a las rejillas en cada lado de la guía de onda de cresta estrecha o acortar la longitud cavidad láser, dos líneas láser pueden obtenerse simultáneamente y el espaciado entre las dos longitudes de onda láser puede ajustarse flexible y ampliamente, modificándose de 0,5 a 73,4 nm, correspondiente a diferencia frecuencia 0,10 a 14 THz. Es notable que este amplio rango ajuste se realiza en un solo dispositivo láser, lo que no se ha reportado hasta ahora. Estos resultados demuestran la aplicación prometedora de láseres LC-DFB para generar radiación THZ CW.

Abreviaturas

CW:

Onda continua

DFB:

Realimentación distribuida

EBL:

Litografía haz electrones

ES:

Estados excitados

GS:

Estado fundamental

ICP:

Plasma acoplado inductivamente

LC-DFB:

Realimentación distribuida acoplada lateralmente

MOCVD:

Deposición química vapor metalorgánica

PECVD:

Deposición química vapor mejorada plasma

P-I-V:

Potencia-corriente-voltaje

PMMA:

Polimetilmetacrilato

QD:

Punto cuántico

QW:

Pozo cuántico

RT:

Temperatura ambiente

RTA:

Recocido térmico rápido

SEM:

Microscopía electrónica barrido

SMSR:

Relación supresión modo lateral

TEM:

Microscopía electrónica transmisión

WDM:

Multiplexado división longitud onda