펨토초 파이버 레이저 응용을 위한 단주기 초격자 캡핑 구조를 가진 1550nm InAs/GaAs 양자점 포화 흡수기 미러 개발

방법

InAs/GaAs QD의 M 성장

3개의 InAs/GaAs QD 구조가 MBE(molecular beam epitaxy) 기술로 성장되었습니다. 모든 샘플은 2.9개의 단층(ML) InAs에서 자체 조립되는 3개의 도트 레이어 기간을 포함합니다. 그림 1과 같이 샘플 1과 2에서 InAs QD는 GaAs와 1nm In_0.18에서 성장했습니다. Ga_0.82 각각 버퍼층(BL)으로, 모두 6nm 두께의 In_0.33으로 덮혀 있습니다. Ga_0.67 레이어로. 샘플 3의 경우 2.9ML InAs QD도 1nm 두께의 In_0.18에서 성장했습니다. Ga_0.82 BL이지만 In_0.20의 5개 기간으로 구성된 10nm 두께 SSL로 제한됨 Ga_0.80 (1 nm) 및 In_0.30으로 Ga_0.70 (1 nm) 층으로. InAs QD의 성장 온도와 성장 속도는 각각 510 °C 및 0.01 ML/s였습니다. QD-SESAM은 31쌍의 도핑되지 않은 GaAs(115 nm)와 Al_0.98을 포함하는 바닥 DBR(Distributed Bragg Reflector)에 하나의 도트 레이어 구조를 성장시켜 제작되었습니다. Ga_0.02 (134 nm) 층으로. GaAs와 InGaAs의 성장 온도는 각각 565°C와 530°C였습니다.

QD 구조의 개략도. a의 세 가지 테스트 구조의 개략도 샘플 1, b 샘플 2 및 c 각각 샘플 3

특성화 방법

PL 측정은 532nm 고체 레이저를 사용하여 11~300 K의 다양한 온도 범위에서 수행되었습니다. 이 QD 샘플의 결정학 구조는 Cu Kα 방출선을 사용한 고해상도 X선 회절로 특성화되었습니다. 나노스코프 Dimension ^TM 의 비접촉 모드에서 주변 조건에서 원자간력 현미경(AFM) 기술을 사용하여 QD 구조의 형태를 조사했습니다. 3100 SPM 원자현미경 시스템. 투과 전자 현미경(TEM) 이미지는 200 KeV JEOL-2010 현미경에서 얻었습니다.

결과 및 토론

그림 2a, b, c는 각각 11~300 K 범위의 온도에서 200 mW의 여기 전력으로 획득한 샘플 1, 2, 3의 온도 의존적 ​​PL 스펙트럼을 나타냅니다. 그것은 두 개의 특징적인 PL 피크, 즉 단파장 영역에 위치한 좁은 피크와 장파장 영역에 위치한 넓은 피크를 나타냅니다. 11 K에서 약 1170 nm, 300 K에서 약 1280 nm에 위치한 좁은 피크는 CL의 발광에서 비롯된 반면 300 K에서 약 1550 nm의 넓은 피크는 QD 방출에 기인합니다. 그림 2a와 같이 낮은 온도에서는 CL 발광만 관찰할 수 있으며 InAs QD에서 약 1550 nm 부근의 발광은 온도가 250 K까지 상승할 때 나타나기 시작하고 온도가 더 올라갈수록 점차 강해집니다. . 그림 2b와 같이 샘플 2에서도 유사한 동작이 관찰됩니다. 일반적으로 더 짧은 파장 방출(예:1300 nm)을 위해 설계된 InAs/GaAs QD 구조의 경우 QD에서 방출이 저온에서 PL 스펙트럼을 지배하고 CL 또는 습윤 층에서 방출을 거의 관찰할 수 없습니다. 이는 QD 구조의 더 낮은 에너지 준위와 저온에서 QD에서 캐리어의 열 방출 감소 때문입니다[36]. 온도가 증가함에 따라 QD에서 캐리어의 향상된 열 방출로 인해 QD의 방출 강도가 점차 감소합니다. 1310nm 애플리케이션을 위해 설계된 InAs/GaAs QD와 현저한 대조를 이루는 1550 nm용 샘플은 완전히 반대되는 온도 의존적 ​​발광 거동을 보여 이 새로운 QD 시스템에서 탁월한 캐리어 역학을 나타냅니다. 그림 2e와 같이 QD의 밴드갭은 CL의 밴드갭보다 훨씬 좁고 전자와 정공의 가장 낮은 에너지 준위는 모두 QD 구조에 있으므로 광 생성 캐리어가 바람직하게 상주할 것으로 예상됩니다. 과도한 에너지를 이완시킨 후 QD에서. 그러나 관찰된 PL 결과는 CL 방출이 PL을 지배하고 QD 방출이 250 K보다 낮은 온도에서 보이지 않는다는 것입니다. QD. 이 사실은 캐리어 산란 과정에 참여하는 포논이 너무 적어 CL에서 QD로 캐리어의 이완 효율이 낮다는 심각한 캐리어 이완 차단 효과로 설명할 수 있습니다. 온도가 증가함에 따라 더 많은 포논 인구가 열적으로 여기되고 포논과 광 생성 캐리어의 상호 작용이 점차 향상되어 CL에서 QD로 더 많은 캐리어가 흩어집니다. RT에서 나타나는 1550 nm에서 QD 방출의 가장 강한 PL 강도는 CL에서 QD로 캐리어의 에너지 완화 프로세스가 QD에서 CL로의 열 탈출 프로세스를 지배함을 나타냅니다.

재료 특성화 및 도식적 밴드 다이어그램. a에서 11-300 K에서 측정된 PL 스펙트럼 샘플 1, b 샘플 2 및 c 각각 샘플 3. d 고해상도 ω/2θ 스캔은 각각 샘플 1, 2 및 3에 대한 GaAs(008) 기판 피크 및 CL 회절 패턴을 보여줍니다. e의 도식적 밴드 다이어그램 샘플 2 및 f 각각 샘플 3

샘플 1과 2의 PL 특성은 1550nm 애플리케이션용으로 설계된 InAs/GaAs QD 시스템에서 비효율적인 캐리어 이완 특성이 존재하고 더 큰 포논 밀도는 QD까지 캐리어 이완을 선호한다는 것을 보여줍니다. 기본적으로 약한 캐리어 이완 과정은 CL에 의해 결정되는 전자 밴드 구조에 뿌리를 두고 있습니다. 밴드 오프셋이 CL의 세로 광학(LO) 포논 에너지보다 훨씬 큰 QD 재료와 CL의 캐리어는 단일 포논이 아닌 여러 포논을 방출하여 QD 수준으로 완화되어야 합니다. 약한 캐리어 이완 과정은 CL 및 QD 대역 구조에서 훨씬 더 큰 대역 오프셋 때문에 1550 nm의 InAs/GaAs QD에서 제거할 수 없지만 전자 대역 구조를 조정하여 다중 포논 산란 과정을 수정할 수 있습니다. 포논 밴드 구조. 1550nm QD에서 캐리어 이완을 향상시키기 위한 이 목표를 달성하기 위해 (In_0.20 Ga_0.80 As/In_0.30 Ga_0.70 As)₅ InGaAs CL을 대체할 CL로 SSL 구조. SSL CL은 SSL의 Brillouin 영역 접힘 효과로 인해 더 많은 포논 진동 모드와 훨씬 더 큰 포논 밀도를 제공할 것으로 예상됩니다[37]. 도 1c와 같이 10nm 두께의 In_0.20의 5주기를 사용한 것을 제외하고는 샘플 2와 동일한 구조로 샘플 3을 성장시켰다. Ga_0.80 As/In_0.30 Ga_0.70 SSL로 CL로. 그림 2d는 샘플 1, 2, 3에 대해 얻은 XRD 패턴을 보여줍니다. 모든 샘플은 66.1°에서 강한 피크를 나타내며, 이는 입방 GaAs의 (008) 평면으로부터의 회절에 할당될 수 있습니다. 6nm 두께의 In_0.33으로 인한 명확한 위성 피크 Ga_0.67 CL 구조는 샘플 1과 2에 대해 약 64.0°에서 관찰됩니다. 추가 검사는 In_0.20 Ga_0.80 As/In_0.30 Ga_0.70 샘플 3의 SSL은 약 64.4°에서 위성 피크를 나타내고 In_0.33에 대해 더 큰 각도로 이동합니다. Ga_0.67 CL은 평균 In 함량의 감소를 시사합니다[38, 39]. SSL CL이 InAs/GaAs QD의 광학 특성에 미치는 영향을 이해하기 위해 그림 2c와 같이 샘플 3에 대한 온도 의존성 PL 스펙트럼도 측정합니다. 샘플 1 및 2와 유사하게, InAs/GaAs QD에서 1550 nm에서의 명백한 PL 방출은 200 K보다 낮은 온도에서 관찰될 수 없으며 방출은 더 높은 온도가 증가함에 따라 점차 강해집니다. 샘플 3의 1550 nm에서 QD 방출 피크가 훨씬 더 낮은 온도인 200 K(샘플 1과 2의 경우 약 250 K)에서 나타납니다. RT에서 CL 방출에 대한 상대 강도는 샘플 1과 2보다 훨씬 높으며 PL 강도는 샘플 2보다 약 10배 더 강합니다. 이러한 결과는 SSL CL이 CL에서 CL로의 캐리어 이완을 크게 향상시킴을 나타냅니다. QDs, 그 결과 QDs에서 훨씬 향상된 복사 재결합. CL에서 QD로의 향상된 캐리어 완화에 대한 책임은 인듐 함량이 감소된 고품질 SSL CL에 있습니다. 이는 캐리어 이완 동작을 효과적으로 조절하고 QD에 의한 캐리어 캡처를 향상시킵니다.

다중 포논 촉진 캐리어 산란 프로세스에 대한 추가 통찰력을 얻기 위해 다양한 유형의 CL을 갖는 InAs/GaAs QD 시스템의 밴드 구조를 비교합니다. 단순성을 위해 CL과 QD 밴드갭 사이의 에너지 차이는 PL 피크 에너지의 차이로 추정할 수 있습니다. 그림 2e 및 f에서 볼 수 있듯이 300 K에서 CL과 InAs QD 사이의 샘플 2와 3의 밴드갭 차이는 PL 측정에 따라 각각 143 및 114 meV로 결정됩니다. 대역 오프셋이 CL과 QD의 전도대 사이의 에너지 차이의 약 60%라고 가정하면[40], 전자는 샘플 2와 샘플 3에 대해 각각 86 및 68 meV 이완되어야 하며, 이는 에너지 준위에서 산란됩니다. InAs QD의 가장 낮은 에너지 수준으로 레이어를 캡핑합니다. InGaAs 합금에서 LO 및 세로 음향(LA) 모드의 포논 에너지는 34 및 9 meV입니다[40, 41]. 다중 포논 산란 프로세스의 경우 샘플 3의 2개의 LO 포논의 조합은 CL에서 QD로의 전자 산란을 충족할 수 있는 반면 샘플 2에는 2개의 LO 포논과 1개의 LO 또는 2개의 LA 포논이 필요합니다. 전자 이완 속도는 더 많은 포논 모드가 다중 포논 산란 과정에 포함될 때 심각하게 감소합니다[42,43,44,45]. 따라서 샘플 3의 전자 이완 속도는 샘플 2의 전자 이완 속도보다 크며 이는 샘플 3의 QD의 훨씬 향상된 PL 강도를 설명합니다. 실제로 SSL CL의 감소된 In 함량과 약화 된 포논 병목 효과 캐리어 이완 과정은 샘플 3에서 QD의 향상된 PL 강도에 대한 주요 이유입니다.

SSL CL로 인한 향상된 캐리어 이완 효과를 추가로 확인하기 위해 여기 전력 종속 PL 스펙트럼이 300 K에서 획득되었습니다. 그림 3a, b, c에서 볼 수 있듯이 CL(Peak 1) 및 InAs의 PL 강도 QD(Peak 2) 피크는 여기 전력이 증가함에 따라 점진적으로 증가하며 피크 위치의 명백한 이동은 관찰할 수 없습니다. 피크 1의 강도는 더 높은 여기 전력에서 그림 3a 및 b에 표시된 것처럼 샘플 1 및 2에서 피크 2의 강도보다 훨씬 더 강한 반면 샘플 3은 측정된 모든 여기에서 훨씬 더 강한 QD 방출을 나타냄을 분명히 관찰할 수 있습니다. 전력 범위. 여기 전력의 함수로서 이러한 샘플의 피크 2 및 피크 1의 PL 강도 비율은 그림 3d에 요약되어 있습니다. 2000 mW의 여기 전력에서 피크 2 및 피크 1의 PL 강도 비율은 그림 3d와 같이 샘플 1 및 2에 각각 해당하는 0.21 및 0.29인 것으로 나타났습니다. 이는 InGaAs CL에서 많은 캐리어가 재결합하고 캡핑층에서 InAs QD로의 캐리어 이완이 비효율적인 캐리어 이완율로 인해 심하게 방해됨을 나타냅니다. 샘플 1과 비교할 때, 샘플 2의 피크 2 대 피크 1의 층 강도 비율은 In_0.18 Ga_0.82 버퍼층으로 [24]. 샘플 3의 피크 2의 강도는 2000 mW의 여기 전력에서 피크 1의 강도보다 약 2.1배 더 강하여 SSL 캡핑된 InAs QD에서 캐리어 이완 효율이 훨씬 향상되었음을 나타냅니다. 또한, 샘플 1 및 2의 CL에서 33%보다 작은 SSL 캡핑층에서 평균 In 함량이 약 25%이지만, 샘플에서 피크 1의 방출 파장(~1337 nm)이 발견되었습니다. 3은 샘플 1과 2의 것(~1310 nm)보다 약간 더 길다. 우리는 결과에 책임이 있는 주된 이유가 6nm에 비해 훨씬 더 두꺼운(10 nm) SSL 층에서 감소된 양자 구속 효과라고 믿었습니다. InGaAs 캡핑 레이어.

전력 종속 PL 측정. a에서 20–2000 mW에서 측정된 실온 전력 종속 PL 스펙트럼 샘플 1, b 샘플 2 및 c 각각 샘플 3. d 피크 2/피크 1의 강도 라디오 대 샘플 1, 2 및 3 각각의 펌핑 전력.

SSL 캡이 있는 InAs/GaAs QD에서 얻은 우수한 광학 특성을 기반으로 펨토초 펄스 생성을 위한 QD-SESAM으로의 응용을 추가로 시연합니다. 1550 nm SSL 캡핑 InAs/GaAs QD-SESAM은 흡수층으로 SSL 캡핑 InAs/GaAs QD의 한 층과 도핑되지 않은 GaAs(115 nm) 및 Al_{0.98의 31주기로 구성된 하단 DBR 미러로 구성됩니다.} Ga_0.02 (134 nm) 층으로. QD-SESAM의 상세한 구조는 그림 4와 같이 단면 TEM 이미지로 나타내었다. 흡수층에서 QD의 평균 dot 밀도는 4.4 × 10 ¹⁰ 으로 추정된다. cm ^-2 , 점의 평균 높이와 측면 크기는 그림 4의 AFM 이미지에서 볼 수 있듯이 각각 7.5와 40 nm입니다. /cm ² 1.6%의 비선형 변조 깊이가 달성됩니다. 그림 4와 같이 EDF 레이저 캐비티에 QD-SESAM을 삽입하여 수동 모드 잠금 레이저를 구성했습니다. 표준 23.75m 단일 모드 광섬유와 이득 매질로 0.75m EDF를 사용하여 얻은 공동의 길이는 24.5 m입니다. 980 nm에서 방출하는 반도체 DFB 레이저 다이오드(LD)는 펌프 소스 역할을 하고 980/1550 nm 파장 분할 다중화기(WDM)는 펌프 에너지를 파이버 레이저 캐비티에 결합하는 데 사용됩니다. 편광 독립 아이솔레이터(PI-ISO)와 편광 컨트롤러(PC)는 각각 빛의 단방향 전송을 보장하고 캐비티 내 모드 잠금 상태를 최적화하는 데 사용됩니다. 1550nm 광순환기(CIR)의 포트 1은 PC에 연결되고, 포트 2는 QD-SESAM에 연결되며, 이 CIR의 포트 3은 10/90 출력 커플러(OC)에 연결됩니다(10% 출력 및 90% 입력).

1550nm QD-SESAM을 사용한 모드 고정 파이버 레이저의 실험 설정. 삽입:QD-SESAM 및 1 × 1 μm ² 의 단면 TEM 이미지 1550nm QD의 AFM 이미지

모드 잠금 동작은 펌프 전력이 50 mW보다 높을 때 달성할 수 있습니다. 그림 5a에서 볼 수 있듯이 이 모드 고정 레이저의 출력 전력은 펌프 전력이 증가함에 따라 선형적으로 증가하며 기울기 효율은 선형 피팅 처리에 의해 결정된 약 4.82%입니다. 그림 5b에 나타난 바와 같이 3dB 대역폭이 3.2 nm인 기존 솔리톤의 일반적인 스펙트럼이 관찰되었습니다. 중심 파장은 1556 nm입니다. 8.16 MHz의 반복률을 가진 RF 스펙트럼은 24.5 m의 공동 길이에 해당하는 그림 5c에 나와 있습니다. 신호 대 잡음비는 약 51 dB로 SSL 캡핑 QD-SESAM으로 안정적인 모드 잠금 작동을 달성할 수 있는 큰 잠재력을 나타냅니다. 50 mW의 임계 펌프 전력에서 장기간 안정적인 모드 잠금 측정을 작동했으며 1주일 이상의 안정적인 연속 작동을 달성했습니다. 그림 5d는 약 920 fs의 실제 펄스 지속 시간을 나타내는 가우시안 피팅 프로필이 적용된 자기상관 트레이스입니다. 비교를 위해 15.7 MW/cm ² 의 포화 강도를 나타내는 샘플 2와 같은 구조를 기반으로 하는 QD-SESAM 0.4%의 비선형 변조 깊이와 모드 잠금 레이저는 2.7 ps 너비의 펄스를 생성합니다[47]. QD-SESAM 기반 SSL 캡핑 QD로 달성된 훨씬 감소된 펄스 지속 시간은 증가된 변조 깊이에 기인할 수 있으며 SSL 캡핑 레이어에 의해 유도된 향상된 캐리어 이완 효율은 감소된 포화 강도를 설명한다고 믿었습니다. 또한 5개의 다른 SSL 캡 QD-SESAM이 모드 잠금 파이버 레이저를 구성하기 위해 선택되었으며 모든 모드 잠금 레이저는 장기간 안정성을 보여 SESAM의 높은 반복성과 신뢰성이 입증되었습니다. <그림><그림><소스 유형="이미지/webp" srcset="//media.springerature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs11671-019-3188-3/MediaObjects/ 11671_2019_3188_Fig5_HTML.png?as=webp">

개발된 광섬유 레이저의 모드 잠금 특성. 아 출력 전력 대 펌프 전력. ㄴ 광학 스펙트럼을 출력합니다. ㄷ 모드 고정 파이버 레이저의 RF 스펙트럼. d 자기상관 추적