InAs/GaAs 양자점 이중 모드 분산 피드백 레이저로 넓은 조정 범위 연속파 테라헤르츠 적용

결과 및 토론

그림 2a는 다중 변조 p-도핑된 QD 구조를 기반으로 한 as-fabricated LC-DFB 레이저의 일반적인 P-I-V(전력-전류-전압) 특성을 보여줍니다. 레이저는 0.20W/A의 높은 기울기 효율과 33mA의 낮은 임계값을 보여 QD 구조의 높은 재료 품질과 높은 광학 이득을 나타냅니다. 도핑되지 않은 QD LC-DFB 레이저와 도핑되지 않은 QD LC-DFB 레이저의 온도에 대한 임계 전류 밀도와 기울기 효율은 각각 그림 2b, c에 나와 있습니다. 임계값 전류 밀도의 특성 온도(T ₀ )의 52.3K는 그림 2b와 같이 도핑되지 않은 QD LC-DFB 레이저에 대해 계산되는 반면 T ₀ p-도핑된 QD LC-DFB 레이저의 경우 특히 15~50°C의 온도 범위에서 상당한 증가가 있습니다. 여기서 무한 T ₀ 관찰된다. 또한, 이 온도 범위에서 기울기 효율은 거의 열화(도핑되지 않은 QD LC-DFB 레이저의 경우 2.6% 열화)를 나타내지 않아 기울기 효율(T)에 대한 무한 특성 온도를 나타냅니다. ₁ ) p-도핑된 LC-DFB 레이저의 경우에도 마찬가지입니다. T의 큰 차이점 ₀ 그리고 T ₁ 도핑되지 않은 LC-DFB 레이저와 p-도핑된 LC-DFB 레이저 사이는 주로 근접한 에너지 준위에서 정공의 열 확장을 크게 억제할 수 있는 변조 p-도핑으로 인해 내장된 초과 정공에 의해 유도된 효과에 기인합니다[21, 22 ]. 위의 결과를 바탕으로 추가 레이저 스펙트럼 특성화를 위해 p-도핑된 QD LC-DFB 레이저가 선택되었습니다.

LC-DFB 레이저의 P–I–V 및 온도 의존성 특성. 아 RT에서 p-도핑된 LC-DFB 레이저의 P–I–V 특성. ㄴ 도핑되지 않은 및 p-도핑된 LC-DFB 레이저에 대한 임계값 전류 밀도의 온도 의존성. ㄷ 도핑되지 않은 및 p-도핑된 LC-DFB 레이저에 대한 기울기 효율의 온도 의존성

그림 3의 삽입은 I에서 측정된 캐비티 길이 1mm의 p-도핑된 LC-DFB 레이저의 방출 스펙트럼을 보여줍니다. =2나 _번째 실온(RT)에서의 주입 수준과 47dB의 매우 큰 SMSR로 1292.4nm에서 발생하는 단일 세로 모드를 관찰할 수 있습니다. 그림 3은 p-도핑된 LC-DFB 레이저의 작동 온도에 따른 방출 파장을 보여주며, 이는 0.092nm/K의 변화율만 나타냅니다. 레이저 파장의 고온 안정성은 굴절률의 온도 계수와 잘 일치하며, 이는 재료 이득 이동보다 약 ​​5배 낮습니다.

방출 파장의 온도 의존성. 삽입:2I에서 측정된 p-도핑된 LC-DFB 레이저의 방출 스펙트럼 _번째

최근 Goshima et al. [10]은 릿지 도파관 구조에 수직으로 에칭된 깊은 격자에 의해 제작된 1.3μm InAs/GaAs QD LC-DFB 레이저를 보고했으며 0.03W/A 미만의 낮은 기울기 효율과 20dB의 작은 SMSR이 관찰되었습니다. 주로 깊은 에칭 공정으로 인한 큰 도파관 손실 때문입니다. 얕은 에칭 격자 구조로 Briggs et al. [23]은 25dB의 더 큰 SMSR로 GaSb 기반 LC-DFB 레이저를 성공적으로 제작했습니다. 그러나 LC-DFB 레이저의 성능에 중요한 격자와 능선 도파관 사이의 거리가 멀기 때문에 더 낮은 결합 계수로 인해 추가 개선이 제한되었습니다. 우리의 작업에서 좁은 능선 도파관과 격자 구조는 별도로 제작되어 능선 도파관의 매우 날카롭고 매끄러운 측벽을 생성하므로 도파관 손실이 거의 없습니다. 실험에 사용된 격자 제작을 위한 얕은 에칭 방법은 에칭된 격자의 종횡비를 급격히 감소시키고 빛과의 좋은 결합을 보장하는 고품질 1차 격자 구조를 만들 수 있습니다. PMMA 레지스트의 두께와 EBL 리소그래피 매개변수를 신중하게 제어함으로써 능선의 측벽 옆에 있는 포토레지스트의 적층 현상이 효과적으로 완화되었으며, 이는 레이저 능선 도파관에 밀접하게 인접한 격자 형성으로 이어집니다. 또한 ~ 4.3 × 10 ¹⁰ 의 높은 도트 밀도 cm ⁻² MBE 에피택시 성장 매개변수와 변조 p-도핑 및 성장 후 어닐링 처리로 실현된 QD 어셈블리의 높은 이득을 최적화하여 얻은 결과는 LC-DFB 레이저의 큰 47dB SMSR을 설명할 수 있습니다.

좁은 방출 스펙트럼과 높은 열 안정성의 우수한 기능으로 인해 장거리 광 전송 및 파장 분할 다중화(WDM) 시스템에서 이미 입증된 광범위한 응용 외에도 LC-DFB 레이저는 CW THz 복사 생성에 대한 이점도 입증했습니다. 두 개의 독립적인 다이오드 레이저[24,25,26]를 사용하여 THz 방사선을 생성하는 기존 방법과 비교할 때 두 가지 모드를 동시에 방출하는 LC-DFB 레이저는 비용 효율성, 소형, 높은 안정성 및 높은 스펙트럼 품질. 양자 우물(QW) 레이저와 달리 QD 기반 이미터는 QD 구조의 두 가지 고유한 기능으로 인해 광대역 조정 가능한 소스에 적합합니다. 첫째, 상태 밀도가 낮기 때문에 GS 수준이 쉽게 포화되어 들뜬 상태(ES)가 더 많이 채워집니다. 둘째, 자체 조립 QD 앙상블의 넓은 크기 분포가 양자 크기 효과에 의해 지배되는 넓은 스펙트럼의 발광으로 이어지기 때문에 도트 크기 변화를 활용하여 튜닝 범위를 확장할 수 있습니다.

독립적으로 제작된 측면 격자로 구성된 LC-DFB 구조는 설계된 브래그 파장을 정의하는 데 높은 유연성을 허용합니다. 이중 파장 레이저는 서로 다른 브래그 주기 Ʌ의 격자 두 세트를 제작하여 달성할 수 있습니다. ₁ 그리고 Ʌ ₂ 두 개의 서로 다른 파장을 가능하게 하는 λ ₁ 및 λ ₂ . 여기에 보고된 방법에는 격자의 각 면에 대해 두 가지 다른 격자 기간을 정의하는 것이 포함됩니다. 이중 파장 레이저 측정은 CW 조건에서 수행되었습니다. SMSR이 약 40dB인 안정적인 이중 파장 레이저가 관찰되었습니다. 그림 4a에서 볼 수 있듯이 어두운 청록색, 파란색, 빨간색 및 검은색 선은 두 가지 다른 레이저 파장의 레이저 스펙트럼을 나타냅니다. 격자 주기 차이가 있는 1mm LC-DFB 레이저의 경우 Ʌ ₁ − Ʌ₂ =0.10nm인 경우 두 레이저 파장은 각각 1292.40 및 1292.90nm이며 ~ 0.10THz의 주파수 차이에 해당하는 0.50nm의 파장 간격을 생성합니다. 격자 주기 차이를 0.64nm로 조정하여 이중 파장 간격을 0.74THz의 박동 주파수에 해당하는 4.1nm로 확장할 수 있습니다.

듀얼 모드 LC-DFB 레이저의 스펙트럼. 아 격자 주기가 다른 이중 파장 LC-DFB 레이저의 방출 스펙트럼. ㄴ 450μm의 매우 짧은 공동 길이를 가진 LC-DFB 레이저의 넓은 간격의 이중 모드 레이저 스펙트럼

듀얼 모드 레이저의 더 넓은 조정 범위를 얻기 위해 LC-DFB 레이저의 캐비티 길이를 450μm로 조심스럽게 줄였습니다. 이는 GS 게인 포화의 영향으로 인해 GS 및 ES 레이저가 동시에 발생합니다. 에스. LC-DFB 레이저 구조는 이전 보고서[27, 28]에서 설명한 것과 유사한 각각 182 및 194 nm의 두 가지 서로 다른 브래그 주기로 구성됩니다. 그림 4b에서 볼 수 있듯이 두 개의 세로 모드는 14THz의 주파수 차이에 해당하는 73.4nm의 큰 파장 분리를 나타냅니다. 능선 도파관에 측면으로 두 개의 다른 주기 격자를 구현하고 ES 레이저를 허용하도록 공동 길이를 섬세하게 단축함으로써 InAs/GaAs QD 기반 레이저 다이오드는 0.10에 해당하는 0.5~73.4nm의 매우 넓은 조정 가능한 파장 간격의 이중 레이저 라인을 방출할 수 있습니다. –14THz 주파수 차이. 두 개의 개별 레이저를 기반으로 한 제안된 THz 광혼합 방식의 다른 유형과 비교할 때 우리 장치는 간단한 구조, 소형 크기, 낮은 제조 비용 및 매우 넓은 조정 범위의 이점을 제공합니다.