InAs / GaAs Quantum Dot Laser de feedback distribuído de modo duplo para um grande intervalo de sintonia Aplicação Terahertz de onda contínua

Resumo

Neste artigo, um laser de feedback distribuído lateralmente acoplado (LC-DFB) com base em estruturas de pontos quânticos (QD) dopadas com p de modulação múltiplas InAs / GaAs (QD) foi fabricado. O dispositivo exibe uma alta taxa de supressão de modo lateral (SMSR) de> 47 dB e uma alta estabilidade térmica de dλ / dT =0,092 nm / K sob operação de onda contínua (CW), que é principalmente atribuída ao alto ganho de material preparado por modulação p-doping e processo de recozimento térmico rápido (RTA), e as perdas de guia de onda significativamente reduzidas por grades gravadas rasas e sua proximidade com o recurso de crista do laser no laser LC-DFB. Com este desempenho superior do laser DFB, a operação de laser de comprimento de onda duplo amplo e ajustável foi obtida definindo delicadamente diferentes períodos para as estruturas de grade nos dois lados da crista do laser ou combinando o comprimento reduzido da cavidade do laser. O espaçamento do comprimento de onda entre os dois modos de laser pode ser sintonizado de forma flexível em uma faixa muito ampla de 0,5 a 73,4 nm, correspondendo à diferença de frequência de 0,10 a 14 THz, que é a maior faixa de sintonia pela utilização de um único dispositivo e, portanto, proporcionando um nova oportunidade para a geração de radiação CW THz.

Histórico

Lasers de feedback distribuído (DFB) são tecnologicamente significativos por sua ampla gama de aplicações em comunicação óptica de fibra de longa distância e radiação terahertz (THz) devido ao seu estreito espectro de emissão e comprimento de onda de emissão estabilizado [1,2,3]. Grandes esforços e várias tentativas foram feitos na última década para buscar lasers DFB de alto desempenho, e lasers DFB baseados em ponto quântico (QD) exibiram desempenhos vantajosos, como corrente de baixo limiar, alta eficiência quântica, faixa de ajuste de comprimento de onda de banda larga e estabilidade de alta temperatura sobre dispositivos baseados em poços quânticos comerciais [4,5,6]. A modulação p-dopagem em estruturas de laser de pontos quânticos foi demonstrada como um método eficaz para melhorar ainda mais o desempenho do laser QD, incluindo a estabilidade de temperatura [7] e características de modulação de alta velocidade [8] devido ao estado fundamental significativamente aprimorado (GS) ganho. Além disso, também foi constatado que o recozimento térmico rápido (RTA) é outra maneira eficiente de otimizar a qualidade do material e as propriedades ópticas dos conjuntos QD, devido à redução de defeitos pontuais e deslocamentos que são produzidos durante o crescimento de epitaxi. O processo de fabricação convencional de um laser DFB geralmente requer duas etapas de crescimento epitaxial de alta qualidade [9]. Stubenrauch et al. relatou a fabricação de um laser QD DFB de 1,3 μm que mostra alto desempenho estático e dinâmico; no entanto, após a fabricação de uma estrutura de grade de Bragg e crescimento epitaxial da camada de revestimento inferior e região ativa, uma etapa de deposição química de vapor metalorgânico (MOCVD) epitaxial de re-crescimento é necessária para completar toda a estrutura do laser levando a muitos fatores complexos e incertos [ 1]. Para evitar o processo de recrescimento, Goshima et al. propôs uma estrutura de laser de feedback distribuído lateralmente acoplado com base em QD (LC-DFB) que foi realizada gravando profundamente a grade verticalmente no guia de onda do cume, mas baixas eficiências de inclinação abaixo de 0,03 W / A e pequena taxa de supressão de modo lateral (SMSR) de 20 dB foram observados devido a grandes perdas de guia de onda [10]. As perdas do guia de ondas são principalmente do processo de corrosão profunda, pelo qual a estrutura de grade uniforme e de alta qualidade é muito difícil de realizar devido aos problemas técnicos de alta razão de aspecto (normalmente 20:1) exigência em qualquer processo de corrosão seca ou de corrosão úmida [11]. Assim, a fim de realizar um laser DFB de super alto desempenho, é necessário traçar uma maneira de combinar a região ativa QD otimizada com a estrutura de guia de onda de dispositivo melhorada.

As fontes de radiação de frequência Terahertz (THz) têm atraído considerável atenção por suas prósperas aplicações médicas, agrícolas, ambientais e de segurança [12, 13] e pela operação de onda contínua (CW) sintonizável em frequência da fonte de radiação THz com tamanho compacto e baixo o custo é especialmente desejado. Recentemente, vários lasers de modo duplo semicondutor foram estudados com o objetivo de desenvolver uma fonte de batimento óptico para fotomixagem THz. A sintonia de ampla frequência foi demonstrada usando lasers de cavidade externa que emitem duas linhas de comprimentos de onda diferentes simultaneamente [14, 15]. No entanto, as partes móveis mecânicas no sistema de laser de cavidade externa não são convenientes nem estáveis para o ajuste do comprimento de onda. Os sinais CW THz também podem ser gerados usando dois feixes de laser DFB independentes de frequências ligeiramente diferentes. Esta técnica emergiu como uma excelente escolha para gerar radiação THz, beneficiando-se do espectro de emissão muito estreito e comprimento de onda de emissão estabilizado dos diodos laser DFB [3, 16,17,18]. Além das configurações relatadas para fotomixagem THz, a emissão simultânea de duas linhas de laser sintonizáveis de uma única cavidade de laser DFB é muito atraente devido à sua compactação, estabilidade em alta temperatura e alta qualidade espectral [3, 19].

Neste trabalho, as múltiplas estruturas de laser QD de InAs / GaAs foram cultivadas por epitaxia de feixe molecular (MBE), e dopagem de modulação tipo p foi aplicada à região ativa de QD. Após o crescimento da epitaxia, as amostras QD foram tratadas por um processo de recozimento pós-crescimento. Para evitar a etapa de supercrescimento e reduzir a proporção de aspecto na corrosão em grade, o laser LC-DFB foi fabricado com grades em corrosão rasa. Os lasers LC-DFB rasos com base nos QDs dopados com p exibem uma alta eficiência diferencial de 0,2 W / A, um grande SMSR de 47 dB e uma alta estabilidade térmica dλ / dT de 0,092 nm / K. Além disso, o lasing dual-mode foi obtido com sucesso com os lasers LC-DFB pela fabricação de dois conjuntos de grades de diferentes períodos, e os comprimentos de onda de laser podem ser simplesmente manipulados modificando delicadamente os períodos de grade, que permitem uma grande faixa de ajuste da frequência diferença dos dois modos de laser de 0,10 a 14 THz. Nosso trabalho demonstra as aplicações promissoras de lasers LC-DFB baseados em QD para comunicação de fibra óptica de longa distância e fontes de radiação CW THz.

Métodos

Preparação e caracterização de materiais

As estruturas de laser QD de InAs / GaAs foram cultivadas em substratos de GaAs dopados com Si (100) por um sistema MBE. A região ativa da estrutura do laser é composta por oito pilhas de camada QD separadas por barreiras GaAs de 33 nm de espessura. Cada camada QD compreende 2,7 ML InAs cobertos com uma camada de redução de deformação InGaAs de 6 nm de espessura. E toda a região ativa é ensanduichada pelas camadas de revestimento do n-Al inferior de ~ 2800 nm _0,3 Ga _0,7 Como e superior ~ 1800 nm p-Al _0,3 Ga _0,7 Como. A deposição dos InAs a uma temperatura de crescimento de 510 ° C e uma taxa de crescimento de 0,01 ML / s. A modulação p-dopagem com Be foi conduzida em uma camada de 6 nm localizada na camada espaçadora GaAs 10 nm abaixo de cada camada QD, e a concentração de dopagem foi controlada em 25 aceitadores por ponto. A imagem de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) transversal das camadas QD de InGa / GaAs é mostrada na Fig. 1a. A densidade de InAs / GaAs QDs é determinada como 4 × 10 ¹⁰ cm ⁻² por medição de microscópio de força atômica. O tratamento RTA foi realizado em um N ₂ ambiente à temperatura de 700 ° C por 45 s. As amostras QD foram protegidas por uma tampa de proximidade GaAs durante o processo de recozimento.

Diagrama esquemático e morfologia da estrutura do laser InAs / GaAs QDs LC-DFB. a Diagrama esquemático da estrutura do laser InAs / GaAs QD LC-DFB. Detalhe:imagem TEM em seção transversal da estrutura da camada ativa QD. b A vista superior da imagem SEM da estrutura do laser LC-DFB com grade de primeira ordem. Inserção:imagem SEM ampliada com foco na junção entre a grade e o guia de onda do cume

Projeto, Fabricação e Caracterização de LC-DFB

O diagrama esquemático da estrutura de laser LC-DFB projetada é mostrado na Fig. 1a. Esta abordagem de design permite a fabricação de lasers LC-DFB apenas por um crescimento epitaxial redondo e reduz a proporção de aspecto na corrosão de grade óptica. A formação do guia de onda de cume estreito e sua estrutura de grade acoplada lateral é dividida em duas etapas de processamento, que é diferente do processo de definição de litografia tradicional [1, 9, 10]. A fabricação da grade acoplada lateralmente requer gravação rasa e isso reduz a alta proporção de aspecto na gravação a seco exigida pela abordagem tradicional de gravação profunda. Além disso, gravar as grades apenas acima de cem nanômetros nos semicondutores permite que a estrutura da grade com tamanhos de recursos muito pequenos, como a grade de primeira ordem, seja facilmente realizada e, portanto, forneça uma nova oportunidade para desenvolver uma estrutura de dispositivo engenhosa para aplicações THz.

Referindo-se ao princípio de acoplamento do LC-DFB, sabe-se que a proximidade das grades com a crista é um fator chave que influencia muito no desempenho do laser [20]. No processo de fabricação, depois que o guia de onda do cume é definido pela primeira vez, a amostra para litografia de feixe de elétrons (EBL) tem uma diferença de altura em relação ao guia de onda, e o fotorresiste empilhará ao lado da parede lateral durante o EBL, o que torna difícil fazer a formação de grade adjacente ao cume. A fim de resolver o problema do revestimento fotoresiste não uniforme e formar uma grade de alta qualidade padronizada por EBL, a espessura da resina de polimetilmetacrilato (PMMA) foi cuidadosamente selecionada para ser tão fina quanto 75 nm, que é otimizada para permitir a qualidade da grade para alcançar seus pontos de equilíbrio. O laser LC-DFB foi fabricado por meio dos procedimentos a seguir. Primeiro, um SiO ₂ de 75 nm camada foi depositada no topo da estrutura de epitaxi usando deposição de vapor químico intensificada por plasma (PECVD), que atua como a camada protetora de corrosão para a corrosão rasa de grades. A estrutura do guia de onda do cume foi padronizada usando litografia óptica e gravada a uma profundidade de cerca de 1,75 μm com a técnica de plasma acoplado indutivamente (ICP) com uma mistura de gás de Cl ₂ e BCl ₃ . Com a estrutura do guia de ondas definida, a camada de revestimento AlGaAs do lado p superior foi ainda gravada por corrosão úmida, que foi interrompida a ~ 280 nm acima das regiões ativas QD. Depois disso, a amostra foi revestida por rotação com resina PMMA (peso molecular de 950 K e espessura de 75 nm) e cozida por 90 s a 180 ° C. A grade de primeira ordem foi definida ao longo do guia de onda do cume por EBL e, em seguida, a imagem de resistência foi transferida para o AlGaAs por ataque seco ICP. As taxas de corrosão do PMMA resist e AlGaAs foram de aproximadamente 5 nm / se 10 nm / s, respectivamente. Uma imagem de microscopia eletrônica de varredura (SEM) da estrutura LC-DFB fabricada é mostrada na Fig. 1b. Beneficiando-se da escolha cuidadosa da dose de exposição de EBL e do empilhamento fotorresistente bastante aliviado devido ao revestimento fino, as grades estão estreitamente ligadas ao guia de onda da crista do laser, conforme revelado pelo detalhe da Fig. 1b. A profundidade de corrosão da grade é 135 nm, e o período da grade é 194 nm. Para obter um lasing de comprimento de onda duplo precisa e amplamente ajustado, dois períodos de Bragg diferentes foram fabricados para grades laterais nos dois lados do guia de onda do cume. A camada de contato ôhmica no guia de onda do cume foi completamente protegida pelo SiO de 75 nm ₂ camada protetora para garantir que o contato ôhmico sobreviva durante o processo de corrosão ICP. A grade de gravação rasa foi controlada para estar 150 nm acima da faixa ativa de QD para formar um bom acoplamento com a luz. Para fins de isolamento e planarização, outra camada de SiO ₂ foi depositado na amostra com PECVD após o ataque das grades. Finalmente, a corrosão iônica reativa (RIE) foi empregada para abrir uma janela de contato em SiO ₂ . Ti / Au e Au / Ge / Ni / Au foram então depositados para formar os contatos ôhmicos superior e inferior, respectivamente. Os substratos foram diluídos em cerca de 80 μm para minimizar o efeito de autoaquecimento. As cavidades do laser de 1 e 0,45 mm de comprimento foram fabricadas e as facetas emissoras não foram revestidas. As barras de laser foram montadas com o lado p voltado para cima em um dissipador de calor de cobre, e todas as medições foram realizadas em operação CW.

Resultados e discussão

A Figura 2a mostra uma característica típica de potência-corrente-tensão (P-I-V) do laser LC-DFB fabricado com base em uma estrutura QD dopada com p de modulação múltipla. O laser mostra uma alta eficiência de inclinação óbvia de 0,20 W / A e um limite baixo de 33 mA, o que revela a alta qualidade do material e o alto ganho óptico da estrutura QD. A densidade de corrente de limiar e a eficiência de inclinação em relação à temperatura para um lasers QD LC-DFB não dopados e p-dopados são apresentados na Fig. 2b, c, respectivamente. A temperatura característica para a densidade de corrente de limiar ( T ₀ ) de 52,3 K é calculado para o laser QD LC-DFB não dopado como visto na Fig. 2b, enquanto o T ₀ para QD LC-DFB dopado com p, o laser tem um aumento significativo, especialmente na faixa de temperatura de 15 a 50 ° C, na qual um T infinito ₀ é observado. Além disso, nesta faixa de temperatura, a eficiência do declive quase não mostra degradação (degradação de 2,6% para o laser QD LC-DFB não dopado), indicando uma temperatura característica infinita para a eficiência do declive ( T ₁ ) também para laser LC-DFB dopado com p. A grande diferença de ambos T ₀ e T ₁ entre os lasers LC-DFB não dopados e dopados com p é principalmente atribuído aos efeitos induzidos pelos orifícios em excesso embutidos devido à modulação p-dopagem que pode inibir significativamente o alargamento térmico dos orifícios nos níveis de energia próximos [21, 22 ] Com base nos resultados acima, o laser QD LC-DFB dopado com p foi selecionado para a caracterização de espectros de laser adicional.

P – I – V e característica de dependência da temperatura do laser LC-DFB. a Característica P – I – V do laser LC-DFB dopado com p na RT. b Dependências da temperatura da densidade de corrente de limiar para lasers LC-DFB não dopados e dopados com p. c Dependências da temperatura da eficiência do declive para lasers LC-DFB não dopados e dopados com p

A inserção da Fig. 3 mostra um espectro de emissão do laser LC-DFB dopado com 1 mm no comprimento da cavidade medido sob I =2 eu _th nível de injeção em temperatura ambiente (RT), e um único modo longitudinal lasing em 1292,4 nm com um SMSR muito grande de 47 dB pode ser observado. A Figura 3 mostra o comprimento de onda de emissão em função da temperatura de operação do laser LC-DFB dopado com p, que revela uma taxa de variação de apenas 0,092 nm / K. A estabilidade de alta temperatura do comprimento de onda de laser está em boa conformidade com o coeficiente de temperatura do índice de refração, que é cerca de cinco vezes menor do que a mudança de ganho do material.

Dependência da temperatura do comprimento de onda de emissão. Detalhe:espectro de emissão do laser LC-DFB dopado com p medido em 2 I _th

Recentemente, Goshima et al. [10] relataram um laser de 1,3 μm InAs / GaAs QD LC-DFB fabricado por grades profundas gravadas verticalmente na estrutura do guia de onda do cume e uma baixa eficiência de inclinação abaixo de 0,03 W / A e um pequeno SMSR de 20 dB foram observados, que são principalmente devido às grandes perdas de guias de ondas causadas pelo processo de corrosão profunda. Com uma estrutura de grade rasa gravada, Briggs et al. [23] fabricaram com sucesso lasers LC-DFB baseados em GaSb com um SMSR maior de 25 dB. Porém, melhorias adicionais foram limitadas pelo menor coeficiente de acoplamento devido à grande distância entre as grades e o guia de onda do cume, que é crucial para o desempenho de um laser LC-DFB. Em nosso trabalho, o guia de onda do cume estreito e as estruturas de grade foram fabricados separadamente, resultando em uma parede lateral muito afiada e lisa do guia de onda do cume e, portanto, pouca perda do guia de onda. O método de gravação rasa para a fabricação de grade empregado em nossos experimentos pode reduzir drasticamente a proporção de aspecto das grades gravadas e permitir a construção da estrutura de grade de primeira ordem de alta qualidade que garante um bom acoplamento com a luz. Ao controlar cuidadosamente a espessura da resistência de PMMA e os parâmetros de litografia EBL, os fenômenos de empilhamento de fotorresiste ao lado da parede lateral das cristas foram efetivamente aliviados, o que leva à formação de grades firmemente adjacentes ao guia de onda da crista do laser. Além disso, a alta densidade de pontos de ~ 4,3 × 10 ¹⁰ cm ⁻² obtido por meio da otimização dos parâmetros de crescimento de epitaxia MBE e o alto ganho dos conjuntos QD realizados pela modulação p-dopagem e o tratamento de recozimento pós-crescimento podem ser responsáveis pelo grande SMSR de 47 dB de nosso laser LC-DFB.

Além das aplicações amplamente demonstradas em transmissão óptica de longa distância e sistemas multiplex por divisão de comprimento de onda (WDM) devido às características superiores do espectro de emissão estreito e alta estabilidade térmica, os lasers LC-DFB também demonstraram vantagens para gerar radiação CW THz. Comparado com o método tradicional para criar radiação THz usando dois lasers de diodo independentes [24,25,26], lasers LC-DFB com emissão simultânea de dois modos são muito atrativos para a fabricação de fontes de radiação THz devido ao custo-benefício, compactação, alta estabilidade e alta qualidade espectral. Em contraste com os lasers de poço quântico (QW), os emissores baseados em QD são bem adequados para fontes sintonizáveis de banda larga devido a duas características exclusivas das estruturas QD. Em primeiro lugar, a natureza da baixa densidade de estados leva à fácil saturação dos níveis de GS, resultando na população adicional de estados excitados (ES). Em segundo lugar, a variação do tamanho do ponto pode ser utilizada para estender a faixa de sintonia, devido ao fato de que a ampla distribuição de tamanho do conjunto QD auto-montado leva a um amplo espectro de emissão de luz governado pelo efeito do tamanho quântico.

A estrutura LC-DFB composta por grades laterais fabricadas de forma independente permite alta flexibilidade na definição do comprimento de onda de Bragg projetado. O laser de comprimento de onda duplo pode ser obtido fabricando dois conjuntos de grades de diferentes períodos de Bragg Ʌ ₁ e Ʌ ₂ que permitem dois comprimentos de onda diferentes λ ₁ e λ ₂ . O método relatado aqui envolve a definição de dois períodos de grade diferentes para cada lado das grades. As medições de laser de comprimento de onda duplo foram realizadas em condições CW. Foi observado lasing de comprimento de onda duplo estável, com SMSR em torno de 40 dB. Conforme ilustrado na Fig. 4a, as linhas ciano escuro, azul, vermelho e preto exibem espectros de laser com dois comprimentos de onda de laser diferentes. Para um laser LC-DFB de 1 mm com diferença de período de grade Ʌ ₁ - Ʌ ₂ =0,10 nm, os dois comprimentos de onda de laser são 1292,40 e 1292,90 nm, respectivamente, produzindo um espaçamento de comprimento de onda de 0,50 nm correspondendo à diferença de frequência de ~ 0,10 THz. Ajustando a diferença de período da grade para 0,64 nm, o espaçamento de comprimento de onda duplo pode ser estendido para 4,1 nm, o que corresponde a uma frequência de batimento de 0,74 THz.

O espectro do laser LC-DFB dual-mode. a Espectros de emissão do laser LC-DFB de comprimento de onda duplo com um período de grade diferente. b Amplo espaçamento dos espectros de laser de modo duplo do laser LC-DFB com um comprimento de cavidade ultracurto de 450 μm

Para obter uma faixa de sintonia maior do laser de modo duplo, o comprimento da cavidade dos lasers LC-DFB foi cuidadosamente reduzido para 450 μm, o que resulta no laser GS e ES simultâneo devido ao efeito da saturação de ganho de GS e aumento da população de ES. A estrutura do laser LC-DFB consiste em dois diferentes períodos de Bragg de 182 e 194 nm, respectivamente, que é semelhante ao que foi descrito em relatórios anteriores [27, 28]. Conforme mostrado na Fig. 4b, os dois modos longitudinais exibem uma grande separação de comprimento de onda de 73,4 nm, correspondendo à diferença de frequência de 14 THz. Ao implementar duas grades de período diferentes lateralmente a um guia de onda de crista e encurtar o comprimento da cavidade delicadamente para permitir o laser ES, os diodos laser baseados em QD de InAs / GaAs poderiam emitir linhas de laser duplas de espaçamento de comprimento de onda ajustável muito amplo de 0,5 a 73,4 nm correspondendo a 0,10 –14 diferença de frequência THz. Comparado com outros tipos de esquemas propostos de fotomixagem THz com base em dois lasers separados, nosso dispositivo oferece as vantagens de estrutura simples, tamanho compacto, baixo custo de fabricação e uma faixa de ajuste muito ampla.

Conclusões

Um laser QD LC-DFB de 1,3 μm com grades rasas foi fabricado, no qual a complexidade do supercrescimento e as dificuldades dos processos de ataque profundo no processo de fabricação geral do laser DFB são evitados com sucesso. Beneficiando-se do alto ganho de material de amostras QD preparadas com modulação p-dopagem, tratamento RTA e estrutura de guia de onda de laser LC-DFB otimizada, o dispositivo exibe um grande SMSR de 47 dB e uma alta estabilidade térmica dλ / dT de 0,092 nm / K . Por meio de definir dois períodos diferentes para as grades em cada lado do guia de onda de crista estreita ou encurtando o comprimento da cavidade do laser, duas linhas de laser podem ser obtidas simultaneamente e o espaçamento entre os dois comprimentos de onda de laser pode ser flexível e amplamente ajustado, o que pode ser modificado de 0,5 a 73,4 nm, correspondendo à diferença de frequência de 0,10 a 14 THz. Vale ressaltar que essa ampla faixa de sintonia é realizada em um único dispositivo a laser, o que não foi relatado até o momento. Esses resultados demonstram a aplicação promissora de lasers LC-DFB para a geração de radiação CW THZ.

Abreviações

CW:: Onda continua
DFB:: Feedback distribuído
EBL:: Litografia de feixe de elétrons
ES:: Estados entusiasmados
GS:: Estado Fundamental
ICP:: Plasma indutivamente acoplado
LC-DFB:: Feedback distribuído lateralmente acoplado
MOCVD:: Deposição química de vapor metalorgânico
PECVD:: Deposição de vapor químico intensificada por plasma
P – I – V:: Potência-corrente-tensão
PMMA:: Polimetilmetacrilato
QD:: Ponto quântico
QW:: Bem quântico
RT:: Temperatura do quarto
RTA:: Recozimento térmico rápido
SEM:: Microscopia eletrônica de varredura
SMSR:: Taxa de supressão de modo lateral
TEM:: Microscopia eletrônica de transmissão
WDM:: Multiplex de divisão de comprimento de onda

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