Desarrollo de un espejo absorbente saturable de punto cuántico InAs / GaAs de 1550 nm con una estructura de recubrimiento de superrejilla de período corto hacia aplicaciones de láser de fibra de femtosegundos

Métodos

Crecimiento de MBE de las QD de InAs / GaAs

Se cultivaron tres estructuras QD de InAs / GaAs con la técnica de epitaxia de haz molecular (MBE). Todas las muestras contienen tres períodos de capas de puntos, cada uno de los cuales se autoensambla a partir de 2.9 monocapas (ML) InAs. Como se muestra en la Fig.1, en las muestras 1 y 2, los QD de InAs se cultivaron en GaAs y un In de 1 nm _0,18 Ga _0,82 Como capa amortiguadora (BL), respectivamente, y todo cubierto con un In _0.33 de 6 nm de espesor Ga _0,67 Como capa. Para la muestra 3, los QD de InAs de 2,9 ml también se cultivaron en un In _0,18 de 1 nm de espesor Ga _0,82 Como BL pero con un límite de SSL de 10 nm de espesor que consta de 5 períodos de In _0.20 Ga _0,80 Como (1 nm) y en _0.30 Ga _0,70 Como capas (1 nm). La temperatura de crecimiento y la tasa de crecimiento de InAs QD fueron 510 ° C y 0,01 ML / s, respectivamente. Los QD-SESAM se fabricaron haciendo crecer una estructura de capa de puntos en un reflector de Bragg distribuido (DBR) inferior que contiene 31 pares de GaAs no dopados (115 nm) y Al _0.98 Ga _0.02 Como capas (134 nm). Las temperaturas de crecimiento de GaAs e InGaAs fueron 565 y 530 ° C, respectivamente.

Diagramas esquemáticos de estructuras QD. Diagramas esquemáticos de tres estructuras de prueba de a muestra 1, b muestra 2 y c muestra 3, respectivamente

Métodos de caracterización

Las mediciones de PL se realizaron en el rango de temperaturas variadas de 11 a 300 K con un láser de estado sólido de 532 nm. Las estructuras de cristalografía de estas muestras QD se caracterizaron con difracción de rayos X de alta resolución utilizando la línea de emisión Cu Kα. Las morfologías de las estructuras QD se examinaron con la técnica del microscopio de fuerza atómica (AFM) en condiciones ambientales en modo sin contacto en un Nanoscope Dimension ^TM Sistema AFM 3100 SPM. Las imágenes de microscopía electrónica de transmisión (TEM) se obtuvieron en un microscopio JEOL-2010 de 200 KeV.

Resultados y discusión

Las figuras 2a, byc presentan los espectros PL dependientes de la temperatura de las muestras 1, 2 y 3, respectivamente, adquiridos a temperaturas que oscilan entre 11 y 300 K con una potencia de excitación de 200 mW. Revela dos picos PL característicos, un pico estrecho ubicado en la región de longitud de onda corta y uno ancho en la longitud de onda larga. El pico estrecho situado en alrededor de 1170 nm a 11 K y alrededor de 1280 nm a 300 K se origina en la luminiscencia de las CL, mientras que el pico ancho alrededor de 1550 nm a 300 K se atribuye a la emisión QD. Como se muestra en la Fig.2a, a las temperaturas más bajas, solo se puede observar la emisión de CL, y la emisión a alrededor de 1550 nm de los QD de InAs comienza a aparecer cuando la temperatura aumenta hasta 250 K y se vuelve gradualmente más fuerte con un aumento adicional de temperatura. . El comportamiento similar también se observa con la muestra 2 como se muestra en la Fig. 2b. Generalmente, para las estructuras QD de InAs / GaAs diseñadas para una emisión de longitud de onda más corta (por ejemplo, 1300 nm), la emisión de QDs domina los espectros PL a bajas temperaturas, y la emisión de CLs o capas humectantes apenas se puede observar. Esto se debe a los niveles más bajos de energía de las estructuras QD y la reducción del escape térmico de los portadores de los QD a bajas temperaturas [36]. Con el aumento de la temperatura, la intensidad de emisión de los QD disminuye gradualmente debido al mayor escape térmico de los portadores de los QD. En notable contraste con los QD de InAs / GaAs diseñados para aplicaciones de 1310 nm, nuestras muestras para 1550 nm exhiben comportamientos de emisión de luz dependientes de la temperatura completamente opuestos, lo que indica una dinámica de portadora distinguida en este nuevo sistema QD. Como se muestra en la Fig. 2e, la banda prohibida de los QD es mucho más estrecha que la de los CL y los niveles de energía más bajos para los electrones y huecos están todos en la estructura QD, por lo que se espera que los portadores fotogenerados puedan residir preferiblemente en los QD después de relajar sus energías excesivas. Sin embargo, el resultado de PL observado es que la emisión de CL domina el PL y la emisión de QD es invisible a temperaturas inferiores a 250 K, lo que revela que, a bajas temperaturas, los portadores fotogenerados están confinados predominantemente en los CL en lugar de en los QD. Este hecho puede explicarse por los efectos de bloqueo de relajación de portadores severos de que hay muy pocos fonones que participan en el proceso de dispersión de portadores, lo que da como resultado la baja eficiencia de relajación de los portadores de los CL a los QD. Con el aumento de la temperatura, más poblaciones de fonones se excitan térmicamente y la interacción de fonones con portadores fotogenerados se mejora gradualmente, lo que lleva a más portadores dispersos de CL a QD. La intensidad PL más fuerte de la emisión QD a 1550 nm que aparece en RT indica que el proceso de relajación de energía de los portadores de CL a QD domina el proceso de escape térmico de QD a CL.

Caracterización de materiales y diagrama esquemático de bandas. Espectros PL medidos a 11-300 K de a muestra 1, b muestra 2 y c muestra 3, respectivamente. d Exploraciones ω / 2θ de alta resolución que muestran el pico del sustrato de GaAs (008) y el patrón de difracción CL para las muestras 1, 2 y 3, respectivamente. Diagrama de bandas esquemático para e muestra 2 y f muestra 3, respectivamente

Las caracterizaciones PL de las muestras 1 y 2 revelan que, en el sistema QD de InAs / GaAs diseñado para aplicaciones de 1550 nm, existe una característica de relajación de portadora ineficiente y una mayor densidad de fonones favorece la relajación de la portadora hasta QD. Esencialmente, el proceso de relajación de la portadora débil tiene sus raíces en las estructuras de bandas electrónicas determinadas por el CL. Los materiales QD en los que sus desplazamientos de banda son mucho más grandes que las energías de fonón ópticas longitudinales (LO) de los CL y los portadores en los CL tienen que relajarse a los niveles de QD emitiendo múltiples fonones en lugar de uno solo. El proceso de relajación de la portadora débil no se puede eliminar en los QD de InAs / GaAs para 1550 nm debido al desplazamiento de banda mucho mayor en la estructura de bandas CL y QD, pero podemos modificar el proceso de dispersión de múltiples fonones ajustando las estructuras de bandas electrónicas, así como también las estructuras de la banda de fonones. Para lograr este objetivo de mejorar la relajación del portador en los QD de 1550 nm, hemos empleado un (In _0.20 Ga _0,80 Como / en _0.30 Ga _0,70 Como) ₅ Estructura SSL como las CL para reemplazar las CL de InGaAs. Se espera que las CL de SSL proporcionen más modos vibracionales de fonones y densidades de fonones mucho mayores debido a los efectos de plegado de la zona de Brillouin en SSL [37]. Como se muestra en la Fig. 1c, la muestra 3 se cultivó con la misma estructura que la muestra 2, excepto por el uso de cinco períodos de In _0.20 de 10 nm de espesor Ga _0,80 Como / en _0.30 Ga _0,70 Tan SSL como CL. La Figura 2d muestra los patrones XRD obtenidos para las muestras 1, 2 y 3. Todas las muestras exhiben un pico fuerte a 66,1 °, que puede asignarse a la difracción de los planos (008) de GaAs cúbicos. Picos de satélites claros resultantes de la In _0.33 de 6 nm de espesor Ga _0,67 Como la estructura CL se observa alrededor de 64.0 ° para las muestras 1 y 2. Una inspección adicional revela que In _0.20 Ga _0,80 Como / en _0.30 Ga _0,70 Como SSL en la muestra 3 exhibe un pico de satélite en alrededor de 64,4 °, y el cambio hacia grados más grandes con respecto al de In _0.33 Ga _0,67 Como CLs sugiere una disminución del contenido medio de In [38, 39]. Para comprender el efecto de las CL de SSL sobre las propiedades ópticas de las QD de InAs / GaAs, también se miden los espectros PL de dependencia de la temperatura para la muestra 3 como se muestra en la Fig. 2c. Al igual que en las muestras 1 y 2, no se puede observar ninguna emisión de PL obvia a 1550 nm de los QD de InAs / GaAs a temperaturas inferiores a 200 K y la emisión se vuelve gradualmente intensa con el aumento de temperaturas más altas. Vale la pena señalar que el pico de emisión QD a 1550 nm en la muestra 3 emerge a una temperatura mucho más baja de 200 K (alrededor de 250 K para las muestras 1 y 2). Su intensidad relativa con respecto a la emisión de CL en RT es mucho más alta que las muestras 1 y 2, y su intensidad de PL es aproximadamente 10 veces más fuerte que la muestra 2. Estos resultados indican que las CL de SSL aumentan en gran medida la relajación de la portadora desde las CL hasta la QD, lo que resulta en una recombinación radiativa muy mejorada en los QD. La razón responsable de la relajación mejorada de la portadora de los CL a los QD radica en los CL SSL de alta calidad con un contenido de indio reducido. Esto modula eficazmente los comportamientos de relajación del portador y mejora la captura de portadores por los QD.

Para comprender mejor el proceso de dispersión de portadoras facilitado por multifonones, se comparan las estructuras de bandas del sistema QD de InAs / GaAs con diferentes tipos de CL. En aras de la simplicidad, la diferencia de energía entre los bandgaps de CL y QD se puede estimar como la diferencia en sus energías máximas de PL. Como se muestra en la Fig. 2e yf, las diferencias de banda prohibida en las muestras 2 y 3 entre los QD de CL y de InAs a 300 K se determinan como 143 y 114 meV, respectivamente, de acuerdo con las mediciones de PL. Suponiendo que las compensaciones de banda son aproximadamente el 60% de las diferencias energéticas entre las bandas de conducción de CL y QDs [40], los electrones deben relajarse 86 y 68 meV para la muestra 2 y la muestra 3, respectivamente, para ser dispersados ​​de los niveles de energía de la tapando capas a los niveles de energía más bajos de los QD de InAs. Las energías de fonón de los modos LO y acústico longitudinal (LA) en las aleaciones de InGaAs son 34 y 9 meV [40, 41]. Para el proceso de dispersión de múltiples fonones, la combinación de 2 fonones LO en la muestra 3 puede cumplir con la dispersión de un electrón de CL a QD, mientras que para la muestra 2 se requieren 2 fonones LO más 1 LO o 2 fonones LA. La tasa de relajación de electrones se reduce drásticamente cuando hay más modos de fonones implicados en un proceso de dispersión de fonones múltiples [42,43,44,45]. Por lo tanto, la tasa de relajación de electrones en la muestra 3 es mayor que la de la muestra 2, lo que explica la intensidad de PL mucho mayor de los QD en la muestra 3. En realidad, la disminución del contenido de In en los CL de SSL y el efecto de cuello de botella de fonón debilitado en el El proceso de relajación del portador son las principales razones de la mayor intensidad de PL de los QD en la muestra 3.

Para verificar aún más el efecto mejorado de relajación de la portadora causado por las CL de SSL, se adquirieron espectros PL dependientes de la potencia de excitación a 300 K. Como se muestra en la Fig. 3a, byc, la intensidad PL de CL (pico 1) e InAs Los picos de QD (pico 2) aumentan gradualmente con el aumento de la potencia de excitación y no se puede observar ningún cambio obvio de las posiciones de los picos. Se observa claramente que la intensidad del pico 1 es mucho más fuerte que la del pico 2 en la muestra 1 y 2 como se muestra en la Fig.3a yb a la potencia de excitación más alta, mientras que la muestra 3 exhibe una emisión de QD mucho más fuerte en todas las excitaciones medidas. Rango de poder. Las relaciones de intensidad PL del pico 2 y el pico 1 de estas muestras en función de la potencia de excitación se resumen en la figura 3d. A la potencia de excitación de 2000 mW, las relaciones de intensidad PL del pico 2 y el pico 1 son 0,21 y 0,29 correspondientes a las muestras 1 y 2, respectivamente, como se muestra en la figura 3d. Indica que muchos portadores se recombinan en InGaAs CL y la relajación del portador desde la capa de protección hasta los QD de InAs se ve gravemente obstaculizada debido a la velocidad ineficaz de relajación del portador. En comparación con la muestra 1, la relación de intensidad de capa de Peak 2 a Peak 1 en la muestra 2 puede atribuirse a la mayor densidad de puntos lograda por más centros de nucleación causados ​​por In _0.18 Ga _0,82 Como capa tampón [24]. La intensidad del pico 2 en la muestra 3 es aproximadamente 2,1 veces más fuerte que la del pico 1 a la potencia de excitación de 2000 mW, lo que indica una eficiencia de relajación de portadora mucho mejorada en los QD de InAs con límite SSL. Además, se encuentra que aunque el contenido promedio de In es de alrededor del 25% en la capa de cobertura SSL que es menor del 33% en los CL de las muestras 1 y 2, la longitud de onda de emisión del pico 1 (a ~ 1337 nm) en la muestra 3 es un poco más largo que eso (a ~ 1310 nm) para las muestras 1 y 2. Creemos que la razón principal responsable de los resultados es el efecto de confinamiento cuántico reducido en la capa SSL mucho más gruesa (10 nm) en comparación con la de 6 nm Capa de cobertura de InGaAs.

Medidas PL dependientes de la potencia. Espectros PL dependientes de la potencia a temperatura ambiente medidos a 20-2000 mW de a muestra 1, b muestra 2 y c muestra 3, respectivamente. d Radio de intensidad de pico 2 / pico 1 versus potencia de bombeo en las muestras 1, 2 y 3, respectivamente.

Basándonos en las buenas propiedades ópticas obtenidas en los QD de InAs / GaAs con límite SSL, demostramos aún más su aplicación como QD-SESAM para la generación de pulsos de femtosegundos. El QD-SESAM de InAs / GaAs con límite SSL de 1550 nm consta de una capa de QD de InAs / GaAs con límite SSL como capa de absorción y un espejo DBR inferior hecho de 31 períodos de GaAs sin dopar (115 nm) y Al _0.98 Ga _0.02 Como capas (134 nm). La estructura detallada del QD-SESAM se ilustra mediante la imagen TEM de sección transversal como se muestra en la Fig. 4. Se estima que la densidad de puntos promedio de los QD en la capa de absorción es de 4,4 × 10 ¹⁰ cm ^-2 , y la altura promedio y el tamaño lateral del punto son 7.5 y 40 nm respectivamente, como se ve en la imagen AFM en la Fig. 4. El SESAM se caracteriza por una configuración típica de detector doble balanceado [46] y una intensidad de saturación de 13.7 MW / cm ² y se consigue una profundidad de modulación no lineal del 1,6%. Como se muestra en la Fig. 4, con el QD-SESAM insertado en la cavidad del láser EDF, hemos construido un láser de modo bloqueado pasivamente. Con una fibra monomodo estándar de 23,75 my un EDF de 0,75 m como medio de ganancia, la cavidad obtenida es de 24,5 m de longitud. Un diodo láser (LD) semiconductor DFB que emite a 980 nm sirve como fuente de bombeo, y se utiliza un multiplexor por división de longitud de onda (WDM) de 980/1550 nm para acoplar la energía de bombeo a la cavidad del láser de fibra. Se utilizan un aislador independiente de polarización (PI-ISO) y un controlador de polarización (PC) para garantizar la transmisión unidireccional de la luz y optimizar el estado de bloqueo de modo en la cavidad, respectivamente. El puerto 1 de un circulador óptico (CIR) de 1550 nm está conectado a la PC, el puerto 2 está vinculado al QD-SESAM y el puerto 3 de este CIR está conectado al acoplador de salida 10/90 (OC) (salida del 10% y 90% de entrada).

Configuración experimental de láser de fibra de modo bloqueado con QD-SESAM de 1550 nm. Recuadro:imagen TEM de sección transversal del QD-SESAM y 1 × 1 μm ² Imagen AFM de los QD de 1550 nm

El comportamiento de bloqueo de modo se puede lograr cuando la potencia de la bomba es superior a 50 mW. Como se muestra en la Fig. 5a, la potencia de salida de este láser de modo bloqueado aumenta linealmente con el aumento de la potencia de la bomba y la eficiencia de la pendiente es de aproximadamente 4,82% determinada por el tratamiento de ajuste lineal. Como se presenta en la Fig. 5b, se observó el espectro típico del solitón convencional con un ancho de banda de 3 dB de 3,2 nm. La longitud de onda central es de 1556 nm. El espectro de RF con una tasa de repetición de 8,16 MHz se muestra en la Fig. 5c, correspondiente a la longitud de la cavidad de 24,5 m. La relación señal-ruido es de aproximadamente 51 dB, lo que indica el gran potencial para lograr una operación de bloqueo de modo estable con los QD-SESAM de limitación de SSL. Se realizaron mediciones de bloqueo de modo estable durante mucho tiempo a la potencia de bombeo umbral de 50 mW, y se logró más de 1 semana de funcionamiento continuo estable. La figura 5d es la traza de autocorrelación equipada con un perfil de ajuste gaussiano, que ilustra la duración real del pulso de aproximadamente 920 fs. A modo de comparación, con el QD-SESAM basado en la estructura como en la muestra 2 que exhibe una intensidad de saturación de 15,7 MW / cm ² y una profundidad de modulación no lineal del 0,4%, y el láser de modo bloqueado genera pulsos de 2,7 ps de ancho [47]. La duración de pulso muy reducida lograda con QDs con límite SSL basados ​​en QD-SESAM se puede atribuir a la profundidad de modulación aumentada, y creíamos que la eficiencia de relajación de portadora mejorada inducida por capas de límite SSL explica la intensidad de saturación disminuida. Además, se han seleccionado otros cinco QD-SESAM con límite SSL para construir los láseres de fibra de modo bloqueado, y todos los láseres de modo bloqueado han mostrado estabilidad a largo plazo, por lo que se demuestra la alta repetibilidad y confiabilidad de los SESAM.

Características del modo bloqueado del láser de fibra desarrollado. un Potencia de salida frente a potencia de bomba. b Espectros ópticos de salida. c Espectro de RF del láser de fibra de modo bloqueado. d Traza de autocorrelación