SESAM de Pontos Quânticos InAs/GaAs de Alto Desempenho a 1550 nm com Capa de Superrede de Período Curto para Lasers de Fibra Femtosegundo

Resumo

Pontos quânticos (QDs) III-V InAs/GaAs de baixa dimensionalidade têm sido aplicados com sucesso em espelhos absorvedores saturáveis semicondutores (SESAMs) na faixa de 900–1310 nm para lasers pulsados ultrarrápidos, beneficiando-se de sua largura de banda ampla, flexibilidade de comprimento de onda e baixa fluência de saturação. No entanto, é muito desafiador obter um QD-SESAM de alto desempenho na faixa de comprimento de onda mais longa em torno de 1550 nm devido ao enorme obstáculo ao crescimento epitaxial das estruturas de QD. Neste trabalho, pela primeira vez, revela-se que, no sistema de QDs InAs/GaAs projetado para emissão de luz a 1550 nm, o processo de relaxamento de portadores muito fraco das camadas de capa (CLs) para os QDs é o principal responsável pelo fraco desempenho de emissão. Com base nisso, desenvolvemos uma superrede de período curto (In_0.20Ga_0.80As/In_0.30Ga_0.70As)₅ como CL para os QDs e alcançamos emissão ~10 vezes mais forte a 1550 nm comparado à CL convencional de InGaAs. Baseado na estrutura de QD desenvolvida, QD-SESAMs de alto desempenho foram alcançados, exibindo intensidade de saturação muito baixa de 13,7 MW/cm² e grande profundidade de modulação não linear de 1,6%, simultaneamente, o que permite a construção de lasers de fibra modo-travado femtosegundo a 1550 nm com excelente estabilidade de operação a longo prazo.

Introdução

Lasers pulsados femtosegundo modo-travados a 1550 nm têm amplas aplicações em comunicação óptica, óptica ultrarrápida e óptica não linear devido à sua alta potência de pico, baixo efeito térmico e alta energia de pulso. O absorvedor saturável (SA) com largura de banda óptica ampla, tempo de resposta rápido e propriedades de baixa perda é o componente óptico crítico para tais lasers pulsados ultrarrápidos. Além disso, alto limiar de dano do SA é altamente desejável para operação estável a longo prazo de um laser modo-travado. Recentemente, materiais bidimensionais (2D) como grafeno, isolantes topológicos, fósforo preto e dicalcogenetos de metais de transição atraíram muita atenção para aplicação como SAs em lasers pulsados femtosegundo modo-travados. No entanto, seu baixo limiar de dano e pobre estabilidade de operação têm dificultado severamente suas amplas aplicações. SESAMs baseados em poços quânticos (QW) são considerados candidatos comerciais para lasers ultrarrápidos modo-travados devido à sua alta repetibilidade e excelente estabilidade de operação, mas as larguras de banda de operação estreitas e pequena profundidade de modulação ainda são grandes barreiras para a realização de pulsos ultrarrápidos femtosegundo.

Recentemente, caracterizados por largura de banda de operação ampla e tempo de recuperação de portadores rápido, pontos quânticos (QDs) de InAs auto-organizados crescidos via modo Stranski-Krastanow emergiram como excelente escolha para SESAMs na construção de lasers pulsados modo-travados. Para alcançar comprimento de onda de trabalho em torno de 1550 nm, QWs de InGaAsP baseados em InP são geralmente empregados. As lacunas de banda de QDs de InGaAs baseados em GaAs podem ser geralmente projetadas para cobrir a faixa espectral de 980 a 1310 nm, e um comprimento de onda mais longo além de 1310 nm requer teor de índio muito maior nas camadas de capa (CLs) dos QDs. Ligas quaternárias de InGaAsSb (InGaNAs) e CLs de InGaAs com teor de In muito alto (> 30%) foram empregados para projetar a lacuna de banda do QD em direção ao comprimento de onda longo de 1550 nm. No entanto, as CLs de liga quaternária complicam significativamente o processo de crescimento epitaxial, e o alto teor de In nas CLs de InGaAs degrada a qualidade cristalina e óptica dos QDs, introduzindo mais centros de recombinação não radiativa. A emissão a 1550 nm foi obtida com QDs InAs/GaAs crescidos em substratos metamórficos, mas baixa confiabilidade e repetibilidade permanecem como questões severas para tal técnica. Em nosso trabalho anterior, QDs InAs/GaAs assimétricos trabalhando a 1550 nm foram fabricados, pelos quais um oscilador de vidro dopado com Er modo-travado foi alcançado com largura de pulso de 2 ps. E recentemente, um QD-SESAM a 1550 nm com estrutura InAs/GaAs capada com InGaAs foi fabricado, com o qual um laser de fibra dopada com érbio (EDF) Q-switched passivamente de duplo comprimento de onda foi alcançado. No entanto, o desempenho dos lasers obtidos foi limitado devido à pequena profundidade de modulação de 0,4% desses QD-SESAMs. Portanto, é altamente desejável explorar novas técnicas para otimizar as estruturas de QD InAs/GaAs a 1550 nm visando aumentar a profundidade de modulação de tais QD-SESAMs.

Neste trabalho, crescemos diferentes estruturas de QD InAs/GaAs projetadas para SESAMs trabalhando na faixa de 1550 nm, com CLs de liga InGaAs e CLs de superrede de período curto (SSL) InGaAs, respectivamente, e investigamos minuciosamente suas propriedades ópticas. A caracterização por fotoluminescência (PL) revela emissão de luz muito fraca à temperatura ambiente (RT) no comprimento de onda em torno de 1550 nm, que não pode ser observada em temperaturas inferiores a 250 K. Esse fenômeno contrasta notavelmente com os comportamentos conhecidos dependentes da temperatura de sistemas de QD, ou seja, a intensidade de PL é mais forte em temperaturas mais baixas, ficando muito fraca ou até não observável à RT devido à excitação térmica de portadores confinados nos QDs. Os fenômenos anômalos observados nos QDs InAs/GaAs a 1550 nm podem ser atribuídos ao fraco processo de relaxamento de portadores da CL para os QDs, que pode ser significativamente reduzido pelo crescimento de uma CL SSL para os QDs. As estruturas SSL fornecem modos de fonons abundantes de grandes densidades de estados vibracionais, que efetivamente impulsionam o relaxamento de portadores das CLs para os QDs. Portanto, observa-se emissão 10 vezes mais forte a 1550 nm que os QDs sem capa SSL. A dinâmica superior de portadores nos QDs a 1550 nm dota os QD-SESAMs com desempenho de absorção saturável altamente eficiente, manifestado como intensidade de saturação muito baixa de 13,7 MW/cm² e maior profundidade de modulação não linear de 1,6%, que é 4 vezes o valor relatado em trabalhos anteriores. Beneficiando-se do alto desempenho do QD-SESAM com CLs SSL, construímos com sucesso um laser EDF e alcançamos laser modo-travado estável a 1556 nm, com duração de pulso de 920 fs.

Métodos

Crescimento MBE dos QDs InAs/GaAs

Três estruturas de QD InAs/GaAs foram crescidas com a técnica de epitaxia por feixe molecular (MBE). Todas as amostras contêm três períodos de camadas de pontos, cada uma auto-organizada a partir de 2,9 monocamadas (MLs) de InAs. Como mostrado na Fig. 1, nas amostras 1 e 2, os QDs InAs foram crescidos em GaAs e em uma camada de buffer (BL) de In_0.18Ga_0.82As de 1 nm, respectivamente, e todas capadas com uma camada de In_0.33Ga_0.67As de 6 nm de espessura. Para a amostra 3, os QDs de 2,9 MLs InAs também foram crescidos em uma BL de In_0.18Ga_0.82As de 1 nm, mas capados com uma SSL de 10 nm consistindo de 5 períodos de camadas In_0.20Ga_0.80As (1 nm) e In_0.30Ga_0.70As (1 nm). A temperatura de crescimento e a taxa de crescimento dos QDs InAs foram 510 °C e 0,01 ML/s, respectivamente. Os QD-SESAMs foram fabricados crescendo uma estrutura de camada de pontos em um Espelho de Bragg Distribuído (DBR) inferior que contém 31 pares de camadas GaAs não dopado (115 nm) e Al_0.98Ga_0.02As (134 nm). As temperaturas de crescimento para GaAs e InGaAs foram 565 e 530 °C, respectivamente.

Métodos de Caracterização

Medidas de PL foram realizadas em temperaturas variando de 11 a 300 K com laser de estado sólido de 532 nm. As estruturas cristalográficas dessas amostras de QD foram caracterizadas com difração de raios X de alta resolução usando linha de emissão Cu Kα. As morfologias das estruturas de QD foram examinadas com microscópio de força atômica (AFM) em condições ambientes sob modo não-contato em sistema AFM Nanoscope Dimension^TM 3100 SPM. Imagens de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) foram obtidas em microscópio JEOL-2010 de 200 KeV.

Resultados e Discussão

A Fig. 2a, b e c apresentam os espectros de PL dependentes da temperatura das amostras 1, 2 e 3, respectivamente, adquiridos em temperaturas de 11 a 300 K com potência de excitação de 200 mW. Revelam dois picos característicos de PL: um pico estreito na região de comprimento de onda curto e um largo no comprimento de onda longo. O pico estreito posicionado em torno de 1170 nm a 11 K e cerca de 1280 nm a 300 K origina-se da luminescência das CLs, enquanto o pico largo em cerca de 1550 nm a 300 K é atribuído à emissão dos QDs. Como mostrado na Fig. 2a, em temperaturas mais baixas, apenas a emissão da CL pode ser observada, e a emissão em torno de 1550 nm dos QDs InAs começa a aparecer quando a temperatura aumenta até 250 K e fica gradualmente mais forte com aumento adicional da temperatura. Comportamento semelhante é observado com a amostra 2, como mostrado na Fig. 2b. Geralmente, para estruturas de QD InAs/GaAs projetadas para emissão de comprimento de onda mais curto (ex.: 1300 nm), a emissão dos QDs domina os espectros de PL em baixas temperaturas, e a emissão das CLs ou camadas de molhagem dificilmente pode ser observada. Isso se deve aos níveis de energia mais baixos das estruturas de QD e escape térmico reduzido de portadores dos QDs em baixas temperaturas. Com o aumento da temperatura, a intensidade de emissão dos QDs diminui gradualmente devido ao escape térmico aumentado de portadores dos QDs. Em contraste notável com os QDs InAs/GaAs projetados para aplicações a 1310 nm, nossas amostras para 1550 nm exibem comportamentos de emissão de luz dependentes da temperatura completamente opostos, indicando dinâmica de portadores distinta neste novo sistema de QD. Como representado na Fig. 2e, a lacuna de banda dos QDs é muito mais estreita que a das CLs e os níveis de energia mais baixos para elétrons e lacunas estão todos na estrutura do QD, e espera-se portanto que os portadores fotogerados residam preferencialmente nos QDs após relaxar suas energias excessivas. No entanto, o resultado de PL observado é que a emissão da CL domina a PL e a emissão do QD é invisível em temperaturas inferiores a 250 K, revelando que, em baixas temperaturas, os portadores fotogerados são dominantes confinados nas CLs em vez dos QDs. Esse fato pode ser explicado por efeitos severos de bloqueio do relaxamento de portadores: há poucos fonons participando do processo de espalhamento de portadores, resultando em baixa eficiência de relaxamento dos portadores das CLs para os QDs. Com o aumento da temperatura, mais populações de fonons são excitadas termicamente e a interação dos fonons com portadores fotogerados é gradualmente aprimorada, levando a mais portadores espalhados das CLs para os QDs. A intensidade de PL mais forte da emissão do QD a 1550 nm aparecendo à RT indica que o processo de relaxamento de energia dos portadores das CLs para os QDs domina o processo de escape térmico dos QDs para as CLs.

As caracterizações de PL das amostras 1 e 2 revelam que, no sistema de QD InAs/GaAs projetado para aplicações a 1550 nm, existe uma característica ineficiente de relaxamento de portadores e maior densidade de fonons favorece o relaxamento de portadores para os QDs. Essencialmente, o fraco processo de relaxamento de portadores está enraizado nas estruturas de banda eletrônica determinadas pela CL. Os materiais de QD nos quais seus deslocamentos de banda são muito maiores que as energias de fonons ópticos longitudinais (LO) das CLs exigem que os portadores nas CLs relaxem para os níveis dos QDs via emissão de múltiplos fonons em vez de apenas um. O fraco processo de relaxamento de portadores não pode ser eliminado nos QDs InAs/GaAs para 1550 nm devido ao deslocamento de banda muito maior na estrutura de banda CL-QD, mas podemos modificar o processo de espalhamento multi-fônon via ajuste das estruturas de banda eletrônica e de banda de fonons. Para atingir esse objetivo de aumentar o relaxamento de portadores nos QDs a 1550 nm, empregamos uma estrutura SSL (In_0.20Ga_0.80As/In_0.30Ga_0.70As)₅ como CLs para substituir as CLs de InGaAs. As CLs SSL são esperadas para fornecer mais modos vibracionais de fonons e densidades de fonons muito maiores devido aos efeitos de dobragem da zona de Brillouin em SSL. Como mostrado na Fig. 1c, a amostra 3 foi crescida com a mesma estrutura da amostra 2, exceto o uso de cinco períodos de SSLs In_0.20Ga_0.80As/In_0.30Ga_0.70As de 10 nm de espessura como CLs. A Figura 2d mostra os padrões XRD obtidos para as amostras 1, 2 e 3. Todas exibem pico forte a 66,1°, atribuído à difração dos planos (008) de GaAs cúbico. Picos satélites claros resultantes da estrutura de CL In_0.33Ga_0.67As de 6 nm são observados em torno de 64,0° para amostras 1 e 2. Inspeção adicional revela que a SSL In_0.20Ga_0.80As/In_0.30Ga_0.70As na amostra 3 exibe pico satélite em torno de 64,4°, e o deslocamento para graus maiores em relação ao das CLs In_0.33Ga_0.67As sugere diminuição do teor médio de In. Para entender o efeito das CLs SSL nas propriedades ópticas dos QDs InAs/GaAs, espectros de PL dependentes da temperatura para a amostra 3 também foram medidos, como mostrado na Fig. 2c. Semelhante às amostras 1 e 2, nenhuma emissão de PL óbvia a 1550 nm dos QDs InAs/GaAs pode ser observada em temperaturas inferiores a 200 K e a emissão fica gradualmente intensa com temperaturas mais altas. Vale notar que o pico de emissão do QD a 1550 nm na amostra 3 emerge em temperatura muito mais baixa de 200 K (cerca de 250 K para amostras 1 e 2). Sua intensidade relativa em relação à emissão da CL à RT é muito maior que nas amostras 1 e 2, e sua intensidade de PL é cerca de 10 vezes mais forte que a amostra 2. Esses resultados indicam que as CLs SSL aumentam enormemente o relaxamento de portadores das CLs para os QDs, resultando em recombinação radiativa muito aprimorada nos QDs. A razão responsável pelo relaxamento aprimorado de portadores das CLs para os QDs reside nas CLs SSL de alta qualidade com teor de In diminuído. Isso modula efetivamente os comportamentos de relaxamento de portadores e aumenta a captura de portadores pelos QDs.

Para obter mais insight no processo de espalhamento de portadores facilitado por multi-fônons, as estruturas de banda do sistema de QD InAs/GaAs com diferentes tipos de CLs são comparadas. Para simplificar, a diferença de energia entre a CL e a lacuna de banda do QD pode ser estimada como a diferença em suas energias de pico de PL. Como mostrado na Fig. 2e e f, as diferenças de lacuna de banda nas amostras 2 e 3 entre a CL e os QDs InAs a 300 K são determinadas como 143 e 114 meV, respectivamente, segundo medições de PL. Assumindo que os deslocamentos de banda são aproximadamente 60% das diferenças energéticas entre bandas de condução de CL e QDs, elétrons devem relaxar 86 e 68 meV para amostra 2 e amostra 3, respectivamente, para serem espalhados dos níveis de energia das camadas de capa para os níveis de energia mais baixos dos QDs InAs. As energias de fonons dos modos LO e acústicos longitudinais (LA) nas ligas InGaAs são 34 e 9 meV. Para o processo de espalhamento multi-fônon, a combinação de 2 fonons LO na amostra 3 pode cumprir o espalhamento de um elétron das CLs para os QDs, enquanto 2 fonons LO mais 1 LO ou 2 fonons LA são necessários para a amostra 2. Foi demonstrado que a taxa de relaxamento de elétrons é severamente reduzida quando mais modos de fonons estão envolvidos em um processo de espalhamento multi-fônon. Portanto, a taxa de relaxamento de elétrons na amostra 3 é maior que na amostra 2, o que explica a intensidade de PL muito aprimorada dos QDs na amostra 3. Na verdade, o teor de In diminuído nas CLs SSL e o efeito de gargalo de fonons enfraquecido no processo de relaxamento de portadores são as principais razões para a intensidade de PL aprimorada dos QDs na amostra 3.

Para verificar ainda mais o efeito aprimorado de relaxamento de portadores causado pelas CLs SSL, espectros de PL dependentes da potência de excitação foram adquiridos a 300 K. Como mostrado na Fig. 3a, b e c, a intensidade de PL dos picos da CL (Pico 1) e QD InAs (Pico 2) aumenta gradualmente com o aumento da potência de excitação, e nenhum deslocamento óbvio das posições dos picos é observado. Observa-se claramente que a intensidade do Pico 1 é muito mais forte que a do Pico 2 nas amostras 1 e 2, como mostrado na Fig. 3a e b na maior potência de excitação, enquanto a amostra 3 exibe emissão de QD muito mais forte em toda a faixa de potência de excitação medida. As razões de intensidade de PL do Pico 2 e Pico 1 dessas amostras em função da potência de excitação foram resumidas na Fig. 3d. Na potência de excitação de 2000 mW, as razões de intensidade de PL do Pico 2 e Pico 1 são 0,21 e 0,29 correspondentes às amostras 1 e 2, respectivamente. Isso indica que muitos portadores recombinam na CL InGaAs e o relaxamento de portadores da capa para os QDs InAs é severamente impedido devido à taxa ineficiente de relaxamento. Comparado com a amostra 1, a razão de intensidade do Pico 2 para Pico 1 na amostra 2 pode ser atribuída à maior densidade de pontos alcançada por mais centros de nucleação causados pela camada de buffer In_0.18Ga_0.82As. A intensidade do Pico 2 na amostra 3 é cerca de 2,1 vezes mais forte que a do Pico 1 na potência de excitação de 2000 mW, indicando eficiência de relaxamento de portadores muito aprimorada nos QDs InAs capados com SSL. Além disso, verifica-se que, embora o teor médio de In seja em torno de 25% na capa SSL, menor que 33% nas CLs das amostras 1 e 2, o comprimento de onda de emissão do pico 1 (~1337 nm) na amostra 3 é ligeiramente mais longo que o (~1310 nm) para amostras 1 e 2. Acreditamos que a principal razão é o efeito de confinamento quântico reduzido na camada SSL muito mais espessa (10 nm) comparada à capa de InGaAs de 6 nm.

Baseado nas boas propriedades ópticas obtidas nos QDs InAs/GaAs capados com SSL, demonstramos sua aplicação como QD-SESAM para geração de pulsos femtosegundo. O QD-SESAM InAs/GaAs a 1550 nm capado com SSL consiste em uma camada de QDs InAs/GaAs capados com SSL como camada de absorção e um espelho DBR inferior feito de 31 períodos de GaAs não dopado (115 nm) e Al_0.98Ga_0.02As (134 nm). A estrutura detalhada do QD-SESAM é ilustrada pela imagem TEM de seção transversal mostrada na Fig. 4. A densidade média de pontos dos QDs na camada de absorção é estimada em 4,4 × 10¹⁰ cm⁻², e a altura média e tamanho lateral do ponto são 7,5 e 40 nm, respectivamente, como visto na imagem AFM na Fig. 4. O SESAM é caracterizado com configuração típica de detector gêmeo balanceado e intensidade de saturação de 13,7 MW/cm² e profundidade de modulação não linear de 1,6% são alcançados. Como representado na Fig. 4, com o QD-SESAM inserido na cavidade do laser EDF, construímos um laser modo-travado passivamente. Com fibra monomodo padrão de 23,75 m e EDF de 0,75 m como meio de ganho, a cavidade obtida tem 24,5 m de comprimento. Um diodo laser (LD) DFB semicondutor emitindo a 980 nm serve como fonte de bomba, e um multiplexador de divisão de comprimento de onda (WDM) 980/1550 nm é usado para acoplar a energia de bomba na cavidade do laser de fibra. Um isolador independente de polarização (PI-ISO) e um controlador de polarização (PC) são usados para garantir transmissão unidirecional da luz e otimizar o estado de modo-travado na cavidade, respectivamente. A porta 1 de um circulador óptico (CIR) a 1550 nm é conectada ao PC, a porta 2 ao QD-SESAM, e a porta 3 deste CIR ao acoplador de saída (OC) 10/90 (10% saída e 90% entrada).

O comportamento de modo-travado pode ser alcançado quando a potência de bomba é superior a 50 mW. Como mostrado na Fig. 5a, a potência de saída deste laser modo-travado aumenta linearmente com o aumento da potência de bomba e a eficiência de inclinação é de cerca de 4,82% determinada por ajuste linear. Como apresentado na Fig. 5b, o espectro típico de soliton convencional com largura de banda de 3 dB de 3,2 nm foi observado. O comprimento de onda central é 1556 nm. O espectro RF com taxa de repetição de 8,16 MHz é mostrado na Fig. 5c, correspondendo ao comprimento de cavidade de 24,5 m. A razão sinal-ruído é de cerca de 51 dB, indicando grande potencial para alcançar operação modo-travado estável com os QD-SESAMs capados com SSL. Medidas de modo-travado estável a longo prazo foram operadas na potência de bomba de limiar de 50 mW, e mais de 1 semana de operação contínua estável foi alcançada. A Fig. 5d é o traço de autocorrelação ajustado com perfil gaussiano, ilustrando duração real de pulso de aproximadamente 920 fs. Para comparação, com o QD-SESAM baseado na estrutura da amostra 2 exibindo intensidade de saturação de 15,7 MW/cm² e profundidade de modulação não linear de 0,4%, o laser modo-travado gera pulsos de 2,7 ps de largura. A duração de pulso muito reduzida alcançada com QD-SESAM baseado em QDs capados com SSL pode ser atribuída ao aumento da profundidade de modulação, e acreditamos que a eficiência de relaxamento de portadores aprimorada induzida pelas camadas de capa SSL explica a intensidade de saturação diminuída. Além disso, outros cinco QD-SESAMs capados com SSL foram selecionados para construir lasers de fibra modo-travados, e todos exibiram estabilidade a longo prazo, demonstrando a alta repetibilidade e confiabilidade dos SESAMs.

Conclusões

Em conclusão, QDs InAs/GaAs projetados para aplicações a 1550 nm foram crescidos pela técnica MBE com camadas de liga InGaAs e SSL, respectivamente, como camadas de capa para QDs. Com caracterização por espectroscopia de PL dependente da temperatura e potência, revela-se que o deslocamento de banda de condução das estruturas CL e QD é modificado de 86 meV para 68 meV pela mudança da CL de liga In_0.33Ga_0.67As para uma CL SSL (In_0.20Ga_0.80As/In_0.30Ga_0.70As)₅, e espalhamento de portadores multi-fônon mais eficiente é alcançado, levando a mais portadores recombinando radiativamente na estrutura QD e resultante emissão significativamente melhorada a 1550 nm. O QD-SESAM crescido com QDs InAs/GaAs capados com SSL exibe intensidade de saturação muito aprimorada de 13,7 MW/cm² e profundidade de modulação não linear de 1,6%, e duração de pulso de 920 fs é alcançada em laser de fibra modo-travado operando a 1556 nm construído com o QD-SESAM. O QD-SESAM desenvolvido com design SSL como CLs para QDs abrirá novo caminho para lasers ultrarrápidos de alto desempenho.