SESAM de puntos cuánticos InAs/GaAs de alto rendimiento a 1550 nm con superred de período corto para láseres de fibra femtosegundo

Resumen

Los puntos cuánticos (QD) InAs/GaAs III-V de baja dimensión se han aplicado exitosamente en espejos absorbentes saturables semiconductores (SESAM) en rango 900-1310 nm para láseres pulsados ultrarrápidos, beneficiándose de su ancho de banda amplio, flexibilidad de longitud de onda y baja fluencia de saturación. Sin embargo, es muy desafiante obtener un SESAM QD de alto rendimiento en rango largo alrededor de 1550 nm debido al enorme obstáculo en el crecimiento epitaxial de estructuras QD. En este trabajo, se revela por primera vez que en el sistema QD InAs/GaAs diseñado para emisión a 1550 nm, el proceso de relajación de portadores muy débil desde las capas de recubrimiento (CL) hacia los QD es el principal responsable del pobre rendimiento de emisión. Basado en esto, desarrollamos una superred de período corto (In_0.20Ga_0.80As/In_0.30Ga_0.70As)₅ como CL para los QD, logrando emisión ~10 veces más fuerte a 1550 nm comparado con CL convencional InGaAs. Basado en la estructura QD desarrollada, se han logrado SESAM QD de alto rendimiento, exhibiendo intensidad de saturación muy pequeña de 13,7 MW/cm² y gran profundidad de modulación no lineal de 1,6%, permitiendo la construcción de láseres de fibra modo-bloqueado femtosegundo a 1550 nm con excelente estabilidad a largo plazo.

Introducción

Los láseres pulsados femtosegundo modo-bloqueado a 1550 nm tienen amplias aplicaciones en comunicaciones ópticas, óptica ultrarrápida y óptica no lineal debido a su alta potencia pico, bajo efecto térmico y alta energía de pulso. El absorbente saturable (SA) con ancho de banda óptico amplio, tiempo de respuesta rápido y bajas pérdidas es componente crítico para tales láseres pulsados ultrarrápidos. Además, alto umbral de daño del SA es altamente deseable para operación estable a largo plazo de láser modo-bloqueado. Recientemente, materiales bidimensionales (2D) como grafeno, aislantes topológicos, fósforo negro y dicloruros de metales de transición han atraído mucha atención como SA para láseres modo-bloqueado femtosegundo. Sin embargo, su bajo umbral de daño y pobre estabilidad de trabajo han obstaculizado severamente sus aplicaciones amplias. Los SESAM basados en pozos cuánticos (QW) son candidatos comerciales para láseres ultrarrápidos modo-bloqueado debido a su alta repetibilidad y excelente estabilidad operativa, pero sus estrechos anchos de banda operativos y pequeña profundidad de modulación siguen siendo barreras para pulsos femtosegundo ultrarrápidos.

Recientemente, los puntos cuánticos (QD) InAs autoensamblados crecidos vía modo Stranski-Krastanow, caracterizados por ancho de banda operativo amplio y tiempo de recuperación de portadores rápido, han surgido como excelente opción para SESAM para construir láseres pulsados modo-bloqueado. Para lograr longitud de onda alrededor de 1550 nm, usualmente se emplean QW InGaAsP basados en InP. Las bandgap de QD InGaAs basados en GaAs pueden cubrir generalmente rango espectral 980-1310 nm, y longitudes de onda mayores a 1310 nm requieren mucho mayor contenido de indio en las CL de los QD. Aleaciones cuaternarias InGaAsSb (InGaNAs) y CL InGaAs con muy alto % In (>30%) se han empleado para diseñar bandgap QD hacia 1550 nm. Sin embargo, las CL de aleación cuaternaria complican significativamente el crecimiento epitaxial, y el alto contenido In en CL InGaAs degrada calidad cristalina y óptica de los QD, introduciendo más centros de recombinación no radiativa. La emisión 1550 nm se ha obtenido con QD InAs/GaAs en sustratos metamórficos, pero pobre fiabilidad y repetibilidad permanecen como problemas severos. En trabajo previo, se fabricaron QD InAs/GaAs asimétricos a 1550 nm, logrando oscilador Er-dopado modo-bloqueado con 2 ps ancho de pulso. Recientemente, se fabricó SESAM QD 1550 nm con estructura InAs/GaAs recubierta InGaAs, logrando láser EDF dual-longitud de onda Q-switched pasivamente. Sin embargo, el rendimiento de los láseres obtenidos fue limitado debido a la pequeña profundidad de modulación (0,4%) de estos SESAM QD. Por tanto, es altamente deseable explorar nuevas técnicas para optimizar estructuras QD InAs/GaAs 1550 nm con el fin de mejorar la profundidad de modulación.

En este trabajo, crecimos diferentes estructuras QD InAs/GaAs diseñadas para SESAM a 1550 nm, con CL de aleación InGaAs y superred de período corto (SSL) InGaAs respectivamente, investigando a fondo sus propiedades ópticas. La espectroscopía de fotoluminiscencia (PL) revela emisión muy débil a temperatura ambiente (RT) alrededor de 1550 nm, no observable a temperaturas inferiores a 250 K. Este fenómeno contrasta notablemente con comportamientos temperatura-dependientes conocidos de sistemas QD, donde la intensidad PL es mayor a bajas temperaturas y se debilita en RT por excitación térmica de portadores confinados. Los fenómenos anómalos en QD InAs/GaAs 1550 nm se atribuyen al débil proceso de relajación de portadores desde CL a QD, que puede reducirse significativamente creciendo CL SSL para los QD. Las estructuras SSL proporcionan abundantes modos fonónicos de grandes densidades de estados vibracionales, impulsando efectivamente la relajación de portadores desde CL a QD. Por tanto, se observa emisión 1550 nm 10 veces más fuerte que QD sin SSL. La dinámica superior de portadores en QD 1550 nm dota a los SESAM QD de rendimiento de absorción saturable altamente eficiente, manifestado como intensidad de saturación muy pequeña de 13,7 MW/cm² y mayor profundidad de modulación no lineal de 1,6% (4 veces el valor reportado). Beneficiándose del alto rendimiento del SESAM QD con CL SSL, construimos exitosamente láser EDF y logramos operación modo-bloqueado estable a 1556 nm, con duración de pulso 920 fs.

Métodos

Crecimiento MBE de QD InAs/GaAs

Tres estructuras QD InAs/GaAs se crecieron por epitaxia de haz molecular (MBE). Todas contienen tres períodos de capas de puntos, cada una autoensamblada desde 2,9 monocapas (ML) InAs. Como muestra Fig. 1, en muestras 1 y 2, los QD InAs crecieron sobre GaAs y capa buffer (BL) In_0.18Ga_0.82As de 1 nm respectivamente, todas recubiertas con capa In_0.33Ga_0.67As de 6 nm. Para muestra 3, 2,9 ML InAs QD también crecieron sobre BL In_0.18Ga_0.82As 1 nm pero recubiertos con SSL 10 nm consistente en 5 períodos de In_0.20Ga_0.80As (1 nm) e In_0.30Ga_0.70As (1 nm). Temperatura y tasa de crecimiento InAs QD: 510 °C y 0,01 ML/s. Los SESAM QD se fabricaron creciendo una estructura de capa de puntos sobre reflector Bragg distribuido (DBR) inferior con 31 pares GaAs no dopado (115 nm) y Al_0.98Ga_0.02As (134 nm). Temperaturas de crecimiento GaAs e InGaAs: 565 y 530 °C respectivamente.

Métodos de Caracterización

Medidas PL realizadas en rango 11-300 K con láser estado sólido 532 nm. Estructuras cristalográficas caracterizadas por difracción rayos X alta resolución usando emisión Cu Kα. Morfologías examinadas por microscopía fuerza atómica (AFM) en condiciones ambientales modo no contacto. Imágenes microscopía electrónica transmisión (TEM) obtenidas en microscopio JEOL-2010 200 KeV.

Resultados y Discusión

Fig. 2a, b, c presentan espectros PL temperatura-dependientes de muestras 1, 2, 3 respectivamente, adquiridos a 11-300 K con potencia excitación 200 mW. Revelan dos picos PL característicos: pico estrecho en región longitud onda corta y uno ancho en región larga. Pico estrecho ~1170 nm a 11 K y ~1280 nm a 300 K proviene de luminiscencia CL, mientras pico ancho ~1550 nm a 300 K se atribuye a emisión QD. En Fig. 2a, a bajas temperaturas solo se observa emisión CL; emisión ~1550 nm desde QD InAs aparece al aumentar temperatura a 250 K y se fortalece con mayor temperatura. Comportamiento similar en muestra 2 (Fig. 2b). Generalmente, para QD InAs/GaAs diseñados para emisión menor longitud onda (ej. 1300 nm), emisión QD domina espectros PL a bajas temperaturas, y emisión CL o capas mojadas apenas observable. Esto se debe a menores niveles energéticos QD y reducida fuga térmica portadores desde QD a bajas temperaturas. Con aumento temperatura, intensidad emisión QD disminuye por fuga térmica mejorada. En notable contraste con QD InAs/GaAs para 1310 nm, nuestras muestras 1550 nm exhiben comportamientos emisión temperatura-dependientes completamente opuestos, indicando dinámica portadores distinguida. Como Fig. 2e, bandgap QD es mucho más estrecho que CL y niveles energéticos más bajos para electrones y huecos están en estructura QD; se espera que portadores foto-generados residan preferentemente en QD tras relajar energías excesivas. Sin embargo, resultado PL observado es que emisión CL domina y emisión QD invisible a <250 K, revelando que a bajas temperaturas portadores foto-generados están predominantemente confinados en CL no en QD. Esto se explica por efectos severos de bloqueo relajación portadores: pocos fonones participan en proceso dispersión portadores, resultando en baja eficiencia relajación desde CL a QD. Con aumento temperatura, más poblaciones fonónicas excitadas térmicamente e interacción fonón-portador se incrementa, llevando más portadores dispersados CL a QD. La mayor intensidad PL emisión QD 1550 nm apareciendo en RT indica que proceso relajación energía portadores CL a QD domina proceso fuga térmica QD a CL.

Caracterizaciones PL muestras 1 y 2 revelan que en sistema QD InAs/GaAs para 1550 nm existe característica relajación portadores ineficiente y mayor densidad fonones favorece relajación hacia QD. Esencialmente, proceso débil relajación portadores radica en estructuras banda electrónica determinadas por CL. Materiales QD donde sus desfasajes banda son mucho mayores que energías fonón óptico longitudinal (LO) de CL, portadores en CL deben relajar a niveles QD emitiendo múltiples fonones en lugar de uno solo. Proceso débil relajación no puede eliminarse en QD InAs/GaAs 1550 nm por mucho mayor desfasaje banda en estructura banda CL-QD, pero podemos modificar proceso dispersión multi-fonón ajustando estructuras banda electrónica y fonónica. Para lograr este objetivo mejorando relajación portadores en QD 1550 nm, empleamos estructura SSL (In_0.20Ga_0.80As/In_0.30Ga_0.70As)₅ como CL reemplazando CL InGaAs. Se espera que CL SSL proporcionen más modos vibracionales fonónicos y mayores densidades fonónicas por efectos plegamiento zona Brillouin en SSL. Como Fig. 1c, muestra 3 creció con misma estructura muestra 2 excepto uso cinco períodos SSL 10 nm In_0.20Ga_0.80As/In_0.30Ga_0.70As como CL. Fig. 2d muestra patrones XRD obtenidos muestras 1, 2, 3. Todas exhiben pico fuerte 66,1° asignable a difracción planos (008) GaAs cúbico. Picos satélite claros resultantes CL In_0.33Ga_0.67As 6 nm observados ~64,0° muestras 1 y 2. Inspección revela SSL In_0.20Ga_0.80As/In_0.30Ga_0.70As muestra 3 exhibe pico satélite ~64,4°, desplazamiento hacia grados mayores respecto a CL In_0.33Ga_0.67As sugiere disminución contenido In promedio. Para entender efecto CL SSL en propiedades ópticas QD InAs/GaAs, también se midieron espectros PL temperatura-dependencia muestra 3 (Fig. 2c). Similar a muestras 1 y 2, no se observa PL obvio 1550 nm QD a <200 K y emisión se intensifica con temperaturas mayores. Cabe notar que pico emisión QD 1550 nm muestra 3 emerge a temperatura mucho menor 200 K (~250 K muestras 1 y 2). Su intensidad relativa respecto a emisión CL en RT es mucho mayor que muestras 1 y 2, y su intensidad PL ~10 veces mayor que muestra 2. Estos resultados indican CL SSL impulsan grandemente relajación portadores CL a QD, resultando en recombinación radiativa muy mejorada en QD. La razón responsable de relajación mejorada CL a QD radica en CL SSL alta calidad con contenido In disminuido, modulando efectivamente comportamientos relajación portadores y mejorando captura portadores por QD.

Para mayor comprensión proceso dispersión portadores multi-fonón facilitada, se comparan estructuras banda sistema QD InAs/GaAs con diferentes CL. Para simplicidad, diferencia energética entre bandgap CL y QD puede estimarse como diferencia energías pico PL. Como Fig. 2e y f, diferencias bandgap muestras 2 y 3 entre CL y QD InAs a 300 K determinadas 143 y 114 meV respectivamente según medidas PL. Asumiendo desfasajes banda ~60% diferencias energéticas bandas conducción CL y QD, electrones deben relajar 86 y 68 meV muestras 2 y 3 respectivamente para dispersarse desde niveles energéticos CL a niveles más bajos QD InAs. Energías fonón LO y acústico longitudinal (LA) en aleaciones InGaAs: 34 y 9 meV. Para proceso dispersión multi-fonón, combinación 2 fonones LO muestra 3 cumple dispersión electrón CL a QD mientras 2 fonones LO más 1 LO o 2 LA requeridos muestra 2. Se ha demostrado que tasa relajación electrón se reduce severamente cuando más modos fonón involucrados en proceso dispersión multi-fonón. Por tanto, tasa relajación electrón muestra 3 mayor que muestra 2, explicando intensidad PL muy mejorada QD muestra 3. En realidad, contenido In disminuido en CL SSL y efecto cuello botella fonón debilitado en proceso relajación portadores son razones principales intensidad PL mejorada QD muestra 3.

Para verificar aún más efecto relajación portadores mejorado por CL SSL, se adquirieron espectros PL potencia-excitación dependientes a 300 K. Fig. 3a, b, c muestran intensidad PL picos CL (Pico 1) y QD InAs (Pico 2) aumenta gradualmente con potencia excitación aumentada, sin desplazamiento obvio posiciones pico. Claramente, intensidad Pico 1 mucho mayor que Pico 2 muestras 1 y 2 (Fig. 3a, b) a mayor potencia, mientras muestra 3 exhibe emisión QD mucho más fuerte en todo rango potencia medido. Ratios intensidad PL Pico 2/Pico 1 como función potencia resumidos Fig. 3d. A 2000 mW, ratios 0,21 y 0,29 muestras 1 y 2 respectivamente, indicando muchos portadores recombinan en CL InGaAs y relajación CL a QD severamente obstaculizada por tasa relajación ineficiente. Comparado muestra 1, ratio intensidad Pico 2/Pico 1 muestra 2 puede atribuirse mayor densidad puntos por más centros nucleación causados por BL In_0.18Ga_0.82As. Intensidad Pico 2 muestra 3 ~2,1 veces mayor que Pico 1 a 2000 mW, indicando eficiencia relajación portadores muy mejorada en QD InAs recubiertos SSL. Además, aunque contenido In promedio ~25% en CL SSL menor que 33% CL muestras 1 y 2, longitud onda emisión pico 1 (~1337 nm) muestra 3 ligeramente mayor que (~1310 nm) muestras 1 y 2. Creemos razón principal es efecto confinamiento cuántico reducido en capa SSL mucho más gruesa (10 nm) comparado con capa recubrimiento InGaAs 6 nm.

Basado en buenas propiedades ópticas obtenidas en QD InAs/GaAs recubiertos SSL, demostramos su aplicación como SESAM QD para generación pulsos femtosegundo. SESAM QD 1550 nm recubierto SSL consiste en una capa QD InAs/GaAs recubierta SSL como capa absorción y espejo DBR inferior 31 períodos GaAs no dopado (115 nm) y Al_0.98Ga_0.02As (134 nm). Estructura detallada SESAM QD ilustrada por imagen TEM transversal Fig. 4. Densidad promedio puntos QD en capa absorción estimada 4,4×10¹⁰ cm^-2, altura y tamaño lateral promedio 7,5 y 40 nm respectivamente según imagen AFM Fig. 4. SESAM caracterizado con configuración detector gemelo balanceado típico y se logran intensidad saturación 13,7 MW/cm² y profundidad modulación no lineal 1,6%. Como Fig. 4, con SESAM QD insertado en cavidad láser EDF, construimos láser modo-bloqueado pasivamente. Con fibra monomodo estándar 23,75 m y EDF 0,75 m como medio ganancia, cavidad obtenida 24,5 m longitud. Diodo láser DFB semiconductor emitiendo 980 nm sirve como fuente bombeo, y multiplexor división longitud onda (WDM) 980/1550 nm usado para acoplar energía bombeo en cavidad láser fibra. Aislador independiente polarización (PI-ISO) y controlador polarización (PC) usados para asegurar transmisión unidireccional luz y optimizar estado modo-bloqueado cavidad respectivamente. Puerto 1 circulador óptico (CIR) 1550 nm conectado a PC, Puerto 2 vinculado a SESAM QD, Puerto 3 conectado a acoplador salida (OC) 10/90 (10% salida 90% entrada).

Comportamiento modo-bloqueado logrado cuando potencia bombeo >50 mW. Fig. 5a: potencia salida láser modo-bloqueado aumenta linealmente con potencia bombeo, eficiencia pendiente ~4,82% por ajuste lineal. Fig. 5b: espectro típico solitón convencional con ancho banda 3 dB 3,2 nm observado. Longitud onda central 1556 nm. Espectro RF con tasa repetición 8,16 MHz Fig. 5c, correspondiente longitud cavidad 24,5 m. Relación señal-ruido ~51 dB, indicando gran potencial operación modo-bloqueado estable con SESAM QD recubiertos SSL. Medidas modo-bloqueado largo tiempo operadas a potencia bombeo umbral 50 mW, logrando >1 semana operación continua estable. Fig. 5d: traza autocorrelación ajustada perfil Gaussiano, ilustra duración pulso real ~920 fs. Para comparación, con SESAM QD basado estructura muestra 2 exhibiendo intensidad saturación 15,7 MW/cm² y profundidad modulación 0,4%, láser modo-bloqueado genera pulsos 2,7 ps. Duración pulso muy reducida con SESAM QD recubiertos SSL atribuible a mayor profundidad modulación, y creemos que eficiencia relajación portadores mejorada por CL SSL explica intensidad saturación disminuida. Además, cinco otros SESAM QD recubiertos SSL seleccionados para construir láseres fibra modo-bloqueado, todos exhibieron estabilidad largo plazo, demostrando alta repetibilidad y fiabilidad SESAM.

Conclusiones

En conclusión, QD InAs/GaAs para 1550 nm crecidos por MBE con capas InGaAs aleación y SSL respectivamente como CL para QD. Con caracterización PL temperatura-dependiente y potencia-dependiente, se revela que desfasaje banda conducción CL-QD modificado de 86 meV a 68 meV cambiando CL aleación In_0.33Ga_0.67As a SSL (In_0.20Ga_0.80As/In_0.30Ga_0.70As)₅, logrando dispersión portadores multi-fonón más eficiente, llevando a más portadores recombinando radiativamente en estructura QD y resultante emisión 1550 nm significativamente mejorada. SESAM QD crecido con QD InAs/GaAs recubiertos SSL exhibe intensidad saturación mejorada 13,7 MW/cm² y profundidad modulación no lineal 1,6%, logrando duración pulso 920 fs en láser fibra modo-bloqueado operando 1556 nm construido con SESAM QD. SESAM QD desarrollado con diseño SSL como CL para QD abrirá nuevo camino hacia láseres ultrarrápidos alto rendimiento.