Laser DFB de Modo Duplo InAs/GaAs com Pontos Quânticos para Amplo Ajuste CW de Terahertz

Resumo

Neste trabalho, um laser de realimentação distribuída acoplado lateralmente (LC-DFB) baseado em estruturas de pontos quânticos (QD) InAs/GaAs múltiplas e dopagem p por modulação foi fabricado. O dispositivo exibe alta razão de supressão de modo lateral (SMSR) > 47 dB e alta estabilidade térmica dλ/dT = 0,092 nm/K sob operação de onda contínua (CW), atribuída principalmente ao alto ganho de material preparado por dopagem p por modulação e processo de recozimento térmico rápido (RTA), e perdas de guia de onda significativamente reduzidas por gratings rasos e sua proximidade com a crista do laser no laser LC-DFB. Com este desempenho superior do laser DFB, operação de lasing de duplo comprimento de onda amplamente ajustável foi obtida definindo delicadamente diferentes períodos para as estruturas de grating nos dois lados da crista do laser ou combinando o comprimento de cavidade reduzido. O espaçamento de comprimento de onda entre os dois modos de lasing pode ser ajustado flexivelmente 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 ajuste pela utilização de um único dispositivo, fornecendo nova oportunidade para geração de radiação THZ CW.

Introdução

Lasers de realimentação distribuída (DFB) são tecnologicamente significativos para sua ampla gama de aplicações em comunicação óptica de longa distância e radiação terahertz (THz) devido ao seu espectro de emissão estreito 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 pontos quânticos (QD) exibiram desempenhos vantajosos como baixa corrente de limiar, alta eficiência quântica, ampla faixa de ajuste de comprimento de onda e alta estabilidade de temperatura sobre dispositivos comerciais baseados em poços quânticos [4,5,6]. A dopagem p por modulação em estruturas de laser QD foi demonstrada como método eficaz para melhorar ainda mais o desempenho do laser QD incluindo estabilidade de temperatura [7] e características de modulação de alta velocidade [8] devido ao ganho de estado fundamental (GS) significativamente aumentado. Além disso, também foi descoberto que o recozimento térmico rápido (RTA) é outra maneira eficiente de otimizar a qualidade do material e propriedades ópticas dos ensembles de QD, devido à redução de defeitos pontuais e discordâncias produzidos durante o crescimento epitaxial. O processo de fabricação convencional de um laser DFB geralmente requer dois passos de crescimento epitaxial de alta qualidade [9]. Stubenrauch et al. relataram a fabricação de um laser DFB QD de 1,3 µm que mostra alto desempenho estático e dinâmico; no entanto, após a fabricação de uma estrutura de grating Bragg e crescimento epitaxial da camada de revestimento inferior e região ativa, uma etapa de re-crescimento por deposição química de vapor orgânico-metálico (MOCVD) é necessária para completar toda a estrutura do laser, levando a muitos fatores complexos e incertos [1]. Para evitar o processo de re-crescimento, Goshima et al. propuseram uma estrutura de laser DFB acoplado lateralmente (LC-DFB) baseada em QD que foi realizada por gravação profunda do grating verticalmente no guia de onda da crista, mas baixas eficiências diferenciais abaixo de 0,03 W/A e pequena razão de supressão de modo lateral (SMSR) de 20 dB foram observadas devido a grandes perdas de guia de onda [10]. As perdas de guia de onda são principalmente do processo de gravação profunda, pelo qual a estrutura de grating de alta qualidade e uniforme é muito difícil de realizar devido aos problemas técnicos de requisito de alto aspecto (normalmente 20:1) em processos de gravação a seco ou úmido [11]. Portanto, para realizar um laser DFB de super alto desempenho, é necessário encontrar uma maneira de combinar a região ativa QD otimizada com estrutura de guia de onda de dispositivo melhorada.

Fontes de radiação de frequência terahertz (THz) têm atraído atenção considerável para suas aplicações prósperas em médica, agricultura, meio ambiente e segurança [12, 13] e que operação de onda contínua (CW) com ajuste de frequência de fonte de radiação THz com tamanho compacto e baixo custo é especialmente desejada. Recentemente, vários lasers de modo duplo semicondutores têm sido estudados com o objetivo de desenvolver uma fonte de batimento óptico para fotomistura THz. Amplo ajuste de frequência foi demonstrado usando lasers de cavidade externa que emitem duas linhas de diferentes comprimentos de onda simultaneamente [14, 15]. No entanto, as partes móveis mecânicas no sistema de laser de cavidade externa não são nem convenientes nem estáveis para ajuste de comprimento de onda. Sinais THz CW também podem ser gerados usando dois feixes de laser DFB independentes de frequências ligeiramente diferentes. Esta técnica emergiu como excelente escolha para gerar radiação THz beneficiando-se do espectro de emissão muito estreito e comprimento de onda de emissão estabilizado de diodos laser DFB [3, 16,17,18]. Além dessas configurações relatadas para fotomistura THz, a emissão simultânea de duas linhas de laser ajustáveis de uma única cavidade de laser DFB é muito atraente devido à sua compacidade, alta estabilidade de temperatura e alta qualidade espectral [3, 19].

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

Métodos

Preparação e Caracterização de Materiais

As estruturas de laser QD InAs/GaAs foram crescidas em substratos GaAs (100) dopados Si por um sistema MBE. A região ativa da estrutura do laser é oito camadas de QD separadas por barreiras de GaAs de 33 nm de espessura. Cada camada QD compreende 2,7 ML de InAs cobertos com uma camada redutora de tensão de InGaAs de 6 nm de espessura. E toda a região ativa é sanduíche pelas camadas de revestimento de ~2800 nm n-Al_0.3Ga_0.7As inferior e ~1800 nm p-Al_0.3Ga_0.7As superior. A deposição de InAs a temperatura de crescimento de 510 °C e taxa de crescimento de 0,01 ML/s. A dopagem p por modulação com Be foi conduzida em uma camada de 6 nm localizada na camada espaçadora de GaAs 10 nm abaixo de cada camada QD, e a concentração de dopagem foi controlada para 25 aceitadores por ponto. A imagem de microscopia eletrônica de transmissão (MET) transversal das camadas QD InGa/GaAs é mostrada na Fig. 1a. A densidade de QD InAs/GaAs é determinada como 4 × 10¹⁰ cm⁻² por medida de microscópio de força atômica. O tratamento RTA foi realizado em ambiente N₂ a temperatura de 700 °C por 45 s. As amostras QD foram protegidas por uma tampa de proximidade de GaAs durante o processo de recozimento.

Laser DFB de Modo Duplo InAs/GaAs com Pontos Quânticos para Amplo Ajuste CW de Terahertz

Design, 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 uma rodada de crescimento epitaxial e reduz a razão de aspecto na gravação de grating óptico. A formação do guia de onda de crista estreito e sua estrutura de grating acoplada lateralmente é dividida em duas etapas de processamento, o que é diferente do processo de litografia de definição tradicional [1, 9, 10]. A fabricação do grating acoplado lateralmente requer gravação rasa e isso reduz a alta razão de aspecto na gravação a seco exigida pela abordagem tradicional de gravação profunda. Além disso, gravar os gratings apenas sobre centenas de nanômetros nos semicondutores permite que a estrutura de grating com tamanhos de característica muito pequenos como grating de primeira ordem seja facilmente realizada e, portanto, fornece nova oportunidade para desenvolver estrutura de dispositivo engenhosa para aplicações THz.

Referindo-se ao princípio de acoplamento de LC-DFB, é bem conhecido que a proximidade dos gratings com a crista é um fator chave que influencia grandemente o desempenho do laser [20]. No processo de fabricação, após a crista do guia de onda ser primeiro definida, a amostra para litografia de feixe de elétrons (EBL) tem uma diferença de altura em relação ao guia de onda, e o fotorresiste se acumulará ao lado da parede lateral durante EBL, o que torna difícil fazer a formação de grating adjacente à crista. Para resolver o problema do revestimento não uniforme de fotorresiste e formar um grating de alta qualidade padronizado por EBL, a espessura do resist de polimetilmetacrilato (PMMA) foi cuidadosamente selecionada para ser tão fina quanto 75 nm, que é otimizada para permitir que a qualidade do grating alcance seus pontos de equilíbrio. O laser LC-DFB foi fabricado através dos seguintes procedimentos. Primeiro, uma camada de SiO₂ de 75 nm foi depositada no topo da estrutura epitaxial usando deposição química de vapor aprimorada por plasma (PECVD), que atua como camada de proteção de gravação para a gravação rasa dos gratings. A estrutura do guia de onda da crista 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 mistura de gás Cl₂ e BCl₃. Com a estrutura do guia de onda tendo sido definida, a camada de revestimento superior p-AlGaAs foi ainda mais gravada por gravação úmida que foi parada a ~280 nm acima das regiões ativas QD. Depois disso, a amostra foi revestida por spin com resist PMMA (peso molecular de 950 K e espessura de 75 nm) e assada por 90 s a 180 °C. O grating de primeira ordem foi definido ao lado do guia de onda da crista por EBL, e então a imagem do resist foi transferida para o AlGaAs por gravação a seco ICP. As taxas de gravação do resist PMMA e AlGaAs foram aproximadamente 5 nm/s e 10 nm/s, respectivamente. Uma imagem de microscopia eletrônica de varredura (MEV) da estrutura LC-DFB fabricada é mostrada na Fig. 1b. Beneficiando-se da escolha cuidadosa da dose de exposição EBL e do alívio grande do empilhamento de fotorresiste devido ao resist fino, os gratings estão firmemente ligados ao guia de onda da crista do laser, como revelado pelo inseto da Fig. 1b. A profundidade de gravação do grating é 135 nm, e o período do grating é 194 nm. Para alcançar um lasing de duplo comprimento de onda precisamente e amplamente ajustado, dois períodos de Bragg diferentes foram fabricados para gratings laterais nos dois lados da crista do guia de onda. A camada de contato ôhmico na crista do guia de onda foi completamente protegida pela camada de proteção SiO₂ de 75 nm de espessura para garantir contato ôhmico sobrevivendo durante o processo de gravação ICP. O grating de gravação rasa foi controlado para ser 150 nm acima da faixa ativa QD para formar um bom acoplamento com a luz. Para o objetivo de isolamento e planarização, outra camada de SiO₂ foi depositada na amostra com PECVD após gravar os gratings. Finalmente, gravação a seco de reação iônica (RIE) foi empregada para abrir uma janela de contato no SiO₂. Ti/Au e Au/Ge/Ni/Au foram então depositados para formar os contatos ôhmicos superior e inferior, respectivamente. Os substratos foram afinados para cerca de 80 µm para minimizar o efeito de autoaquecimento. Cavidades de 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 para cima em um dissipador de calor de cobre, e todas as medições foram realizadas sob operação CW.

Resultados e Discussão

A Figura 2a mostra uma característica típica de potência–corrente–tensão (P–I–V) do laser LC-DFB como fabricado baseado em estrutura QD múltipla dopada p por modulação. O laser mostra uma eficiência de inclinação alta óbvia de 0,20 W/A e um limiar baixo de 33 mA, o que revela a alta qualidade do material e alto ganho óptico da estrutura QD. A densidade de corrente de limiar e eficiência de inclinação em relação à temperatura para lasers LC-DFB QD não dopados e dopados p são apresentados na Fig. 2b, c, respectivamente. A temperatura característica para a densidade de corrente de limiar (T₀) de 52,3 K é calculada para o laser LC-DFB QD não dopado como visto na Fig. 2b, enquanto o T₀ para laser LC-DFB QD dopado p tem um aumento significativo, especialmente na faixa de temperatura de 15 a 50 °C, na qual um T₀ infinito é observado. Além disso, nesta faixa de temperatura, a eficiência de inclinação quase não mostra degradação (degradação de 2,6% para o laser LC-DFB QD não dopado), indicando uma temperatura característica infinita para a eficiência de inclinação (T₁) para laser LC-DFB dopado p também. A grande diferença de ambos T₀ e T₁ entre os lasers LC-DFB não dopados e dopados p é principalmente atribuída aos efeitos induzidos pelos buracos em excesso embutidos devido à dopagem p por modulação que pode inibir significativamente o alargamento térmico dos buracos nos níveis de energia estreitamente espaçados [21, 22]. Baseado nos resultados acima, o laser LC-DFB QD dopado p foi selecionado para a caracterização adicional de espectros de lasing.

O inseto da Fig. 3 mostra um espectro de emissão do laser LC-DFB dopado p de 1 mm de comprimento de cavidade medido sob I = 2I_th nível de injeção à temperatura ambiente (RT), e um lasing de modo longitudinal único a 1292,4 nm com SMSR muito grande de 47 dB pode ser observado. A Figura 3 mostra o comprimento de onda de emissão como função da temperatura de operação do laser LC-DFB dopado p, que revela uma taxa de variação de apenas 0,092 nm/K. A alta estabilidade de temperatura do comprimento de onda de lasing está de acordo com o coeficiente de temperatura do índice de refração, que é cerca de cinco vezes menor que o do deslocamento do ganho do material.

Recentemente, Goshima et al. [10] relataram um laser LC-DFB QD InAs/GaAs de 1,3 µm fabricado por gratings profundos gravados verticalmente na estrutura do guia de onda da crista, e baixas eficiências de inclinação abaixo de 0,03 W/A e pequeno SMSR de 20 dB foram observados, que são principalmente devidos às grandes perdas de guia de onda causadas pelo processo de gravação profunda. Com estrutura de grating de gravação rasa, Briggs et al. [23] fabricaram com sucesso lasers LC-DFB baseados em GaSb com SMSR maior de 25 dB. Mas melhoria adicional foi limitada pelo coeficiente de acoplamento menor devido à grande distância entre os gratings e o guia de onda da crista, que é crucial para o desempenho de um laser LC-DFB. Em nosso trabalho, o guia de onda de crista estreito e as estruturas de grating foram fabricadas separadamente, resultando em uma parede lateral muito afiada e suave do guia de onda da crista e, portanto, pouca perda de guia de onda. O método de gravação rasa para fabricação de grating empregado em nossos experimentos pode reduzir drasticamente a razão de aspecto dos gratings gravados e permitir a fabricação de estrutura de grating de primeira ordem de alta qualidade que garante bom acoplamento com a luz. Ao controlar cuidadosamente a espessura do resist 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 gratings firmemente adjacentes ao guia de onda da crista do laser. Além disso, a alta densidade de pontos de ~ 4,3 × 10¹⁰ cm⁻² obtida pela otimização dos parâmetros de crescimento epitaxial MBE e o alto ganho dos ensembles QD realizado pela dopagem p por modulação e tratamento de recozimento pós-crescimento podem explicar o grande SMSR de 47 dB do nosso laser LC-DFB.

Além das aplicações já amplamente demonstradas em transmissão óptica de longa distância e sistemas de multiplexação 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 THz CW. Comparado com o método tradicional de criar radiação THz usando dois lasers de diodo independentes [24,25,26], lasers LC-DFB com emissão simultânea de dois modos são muito atraentes para fabricar fontes de radiação THz devido à relação custo-benefício, compacidade, alta estabilidade e alta qualidade espectral. Em contraste com lasers de poço quântico (QW), emissores baseados em QD são bem adequados para fontes amplamente ajustáveis devido a duas características únicas das estruturas QD. Primeiro, a natureza de baixa densidade de estados leva à fácil saturação dos níveis GS, resultando na população adicional dos estados excitados (ES). Segundo, a variação de tamanho dos pontos pode ser utilizada para estender a faixa de ajuste, devido ao fato de que a ampla distribuição de tamanho do ensemble QD auto-organizado leva a um amplo espectro de emissão de luz governado pelo efeito de tamanho quântico.

A estrutura LC-DFB compreendida de gratings laterais fabricados independentemente permite alta flexibilidade na definição do comprimento de onda de Bragg projetado. Lasing de duplo comprimento de onda pode ser alcançado fabricando dois conjuntos de gratings de diferentes períodos de Bragg Λ₁ e Λ₂ que permitem dois comprimentos de onda diferentes λ₁ e λ₂. O método relatado aqui envolve definir dois períodos de grating diferentes para cada lado dos gratings. As medições de lasing de duplo comprimento de onda foram realizadas sob condições CW. Lasing de duplo comprimento de onda estável, com SMSR em torno de 40 dB, foi observado. Como ilustrado na Fig. 4a, as linhas ciano escuro, azul, vermelho e preto exibem espectros de lasing com dois comprimentos de onda de lasing diferentes. Para um laser LC-DFB de 1 mm com diferença de período de grating Λ₁ − Λ₂ = 0,10 nm, os dois comprimentos de onda de lasing são 1292,40 e 1292,90 nm, respectivamente, resultando em um espaçamento de comprimento de onda de 0,50 nm correspondente à diferença de frequência de ~ 0,10 THz. Ajustando a diferença de período de grating para 0,64 nm, o espaçamento de duplo comprimento de onda pode ser estendido para 4,1 nm que corresponde a uma frequência de batimento de 0,74 THz.

Para obter uma faixa de ajuste maior do lasing de modo duplo, o comprimento de cavidade dos lasers LC-DFB foi cuidadosamente encurtado para 450 µm, o que resulta em lasing simultâneo GS e ES devido ao efeito de saturação do ganho GS e aumento da população do ES. A estrutura do laser LC-DFB consiste em dois períodos de Bragg diferentes de 182 e 194 nm, respectivamente, que é semelhante ao descrito em relatórios anteriores [27, 28]. Como 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 dois gratings de diferentes períodos lateralmente a um guia de onda de crista e encurtar delicadamente o comprimento de cavidade para permitir lasing ES, os diodos laser baseados em InAs/GaAs QD poderiam emitir linhas de lasing duplas de espaçamento de comprimento de onda muito amplamente ajustável de 0,5 a 73,4 nm correspondendo a 0,10–14 THz diferença de frequência. Comparado com outros tipos de esquemas propostos de fotomistura THz baseados em dois lasers separados, nosso dispositivo oferece as vantagens de estrutura simples, tamanho compacto, baixo custo de fabricação e faixa de ajuste muito ampla.

Conclusões

Um laser QD LC-DFB de 1,3 µm com gratings de gravação rasa foi fabricado, no qual a complexidade do sobrecrescimento e as dificuldades dos processos de gravação profunda no processo geral de fabricação de laser DFB são evitadas com sucesso. Beneficiando-se do alto ganho de material de amostras QD preparadas com dopagem p por modulação, 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. Através da definição de dois períodos diferentes para os gratings em cada lado do guia de onda de crista estreito ou encurtando o comprimento de cavidade do laser, duas linhas de lasing podem ser obtidas simultaneamente e o espaçamento entre os dois comprimentos de onda de lasing pode ser ajustado de forma flexível e ampla, que pode ser modificado de 0,5 a 73,4 nm, correspondendo à diferença de frequência de 0,10 a 14 THz. É notável que esta ampla faixa de ajuste é realizada em um único dispositivo laser, o que não foi relatado até agora. Estes resultados demonstram a aplicação promissora de lasers LC-DFB para geração de radiação THZ CW.

Abreviações

CW:: Onda contínua
DFB:: Realimentação distribuída
EBL:: Litografia de feixe de elétrons
ES:: Estados excitados
GS:: Estado fundamental
ICP:: Plasma acoplado indutivamente
LC-DFB:: Realimentação distribuída acoplada lateralmente
MOCVD:: Deposição química de vapor orgânico-metálico
PECVD:: Deposição química de vapor aprimorada por plasma
P–I–V:: Potência–corrente–tensão
PMMA:: Polimetilmetacrilato
QD:: Ponto quântico
QW:: Poço quântico
RT:: Temperatura ambiente
RTA:: Recozimento térmico rápido
SEM:: Microscopia eletrônica de varredura
SMSR:: Razão de supressão de modo lateral
TEM:: Microscopia eletrônica de transmissão
WDM:: Multiplexação por divisão de comprimento de onda

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