Laser à rétroaction distribuée à double mode InAs/GaAs Quantum Dot vers une application térahertz à ondes continues à grande plage de réglage

Contexte

Les lasers à rétroaction distribuée (DFB) sont technologiquement importants pour leur large éventail d'applications dans la communication par fibre optique longue distance et le rayonnement térahertz (THz) en raison de leur spectre d'émission étroit et de leur longueur d'onde d'émission stabilisée [1,2,3]. De grands efforts et diverses tentatives ont été faits au cours de la dernière décennie pour rechercher des lasers DFB haute performance, et les lasers DFB à base de points quantiques (QD) ont présenté des performances avantageuses telles qu'un courant de seuil bas, une efficacité quantique élevée, une plage de réglage de longueur d'onde à large bande, et stabilité à haute température par rapport aux dispositifs commerciaux à base de puits quantiques [4,5,6]. Le dopage p de modulation dans les structures laser à points quantiques a été démontré comme une méthode efficace pour améliorer encore les performances du laser QD, y compris la stabilité de la température [7] et les caractéristiques de modulation à grande vitesse [8] en raison de l'état fondamental (GS) considérablement amélioré. Gain. De plus, il a également été découvert que le recuit thermique rapide (RTA) est un autre moyen efficace d'optimiser la qualité du matériau et les propriétés optiques des assemblages QD, en raison de la réduction des défauts ponctuels et des dislocations produites lors de la croissance de l'épitaxie. Le processus de fabrication conventionnel d'un laser DFB nécessite généralement deux étapes de croissance épitaxiale de haute qualité [9]. Stubenrauch et al. ont rapporté la fabrication d'un laser DFB QD de 1,3 μm qui présente des performances statiques et dynamiques élevées ; Cependant, après la fabrication d'une structure de réseau de Bragg et la croissance par épitaxie de la couche de revêtement inférieure et de la région active, une étape de recroissance épitaxiale de dépôt chimique en phase vapeur métalorganique (MOCVD) est nécessaire pour compléter l'ensemble de la structure laser, ce qui entraîne de nombreux facteurs complexes et incertains. 1]. Pour éviter le processus de repousse, Goshima et al. a proposé une structure laser à rétroaction distribuée à couplage latéral (LC-DFB) basée sur QD qui a été réalisée en gravant profondément le réseau verticalement dans le guide d'ondes de la crête, mais avec des efficacités de faible pente inférieures à 0,03 W/A et un petit rapport de suppression de mode latéral (SMSR) de 20 dB ont été observés en raison d'importantes pertes de guide d'ondes [10]. Les pertes de guide d'ondes sont principalement dues au processus de gravure en profondeur, par lequel la structure de réseau uniforme et de haute qualité est très difficile à réaliser en raison des problèmes techniques liés au rapport d'aspect élevé (normalement 20:1) requis dans le processus de gravure sèche ou humide. [11]. Ainsi, afin de réaliser un laser DFB super hautes performances, il est nécessaire de trouver un moyen de combiner la région active QD optimisée avec une structure de guide d'ondes de dispositif améliorée.

Les sources de rayonnement de fréquence térahertz (THz) ont attiré une attention considérable pour leurs applications médicales, agricoles, environnementales et de sécurité prospères [12, 13] et que le fonctionnement en onde continue (CW) réglable en fréquence de la source de rayonnement THz avec une taille compacte et une faible le coût est particulièrement recherché. Récemment, divers lasers bimodes à semi-conducteurs ont été étudiés dans le but de développer une source de battements optiques pour le photomixage THz. Un large accord de fréquence a été démontré en utilisant des lasers à cavité externe qui émettent simultanément deux raies de longueurs d'onde différentes [14, 15]. Cependant, les pièces mécaniques mobiles dans le système laser à cavité externe ne sont ni pratiques ni stables pour le réglage de longueur d'onde. Les signaux CW THz peuvent également être générés en utilisant deux faisceaux laser DFB indépendants de fréquences légèrement différentes. Cette technique s'est imposée comme un excellent choix pour générer un rayonnement THz bénéficiant du spectre d'émission très étroit et de la longueur d'onde d'émission stabilisée des diodes laser DFB [3, 16, 17, 18]. Outre les configurations signalées pour le photomélange THz, l'émission simultanée de deux lignes laser accordables à partir d'une seule cavité laser DFB est très attrayante en raison de sa compacité, de sa stabilité à haute température et de sa haute qualité spectrale [3, 19].

Dans ce travail, les multiples structures laser InAs/GaAs QD ont été développées par épitaxie par faisceau moléculaire (MBE) et un dopage de modulation de type p a été appliqué à la région active de QD. Après croissance par épitaxie, les échantillons QD ont été traités par un processus de recuit post-croissance. Pour éviter l'étape de surcroissance et réduire le rapport hauteur/largeur dans la gravure du réseau, le laser LC-DFB a été fabriqué avec des réseaux gravés peu profonds. Les lasers LC-DFB à gravure peu profonde basés sur les QD dopés p présentent une efficacité différentielle élevée de 0,2 W/A, un SMSR important de 47 dB et une stabilité thermique élevée dλ/dT de 0,092 nm/K. De plus, le laser bimode a été obtenu avec succès avec les lasers LC-DFB en fabriquant deux ensembles de réseaux de périodes différentes, et les longueurs d'onde laser peuvent être simplement manipulées en modifiant délicatement les périodes de réseau, ce qui permet un réglage sur une large plage de la fréquence. différence des deux modes laser de 0,10 à 14 THz. Notre travail démontre les applications prometteuses des lasers LC-DFB basés sur QD pour la communication par fibre optique longue distance et les sources de rayonnement CW THz.

Méthodes

Préparation et caractérisation des matériaux

Les structures laser InAs/GaAs QD ont été développées sur des substrats GaAs (100) dopés Si par un système MBE. La région active de la structure laser est constituée de huit empilements de couche QD séparés par des barrières GaAs de 33 nm d'épaisseur. Chaque couche QD comprend 2,7 ML d'InAs recouverte d'une couche de réduction de contrainte InGaAs de 6 nm d'épaisseur. Et toute la région active est prise en sandwich par les couches de revêtement du n-Al inférieur à ~ 2800 nm_0.3 Ga_0.7 As et le p-Al supérieur ~ 1800 nm_0,3 Ga_0.7 Comme. Le dépôt de l'InAs à une température de croissance de 510 °C et un taux de croissance de 0,01 ML/s. La modulation du dopage p avec Be a été réalisée dans une couche de 6 nm située dans la couche d'espacement de GaAs à 10 nm sous chaque couche QD, et la concentration de dopage a été contrôlée pour être de 25 accepteurs par point. L'image de microscopie électronique à transmission (MET) en coupe transversale des couches QD d'InGa/GaAs est illustrée à la Fig. 1a. La densité des QD InAs/GaAs est déterminée à 4 × 10 ¹⁰ cm ⁻² par mesure au microscope à force atomique. Le traitement RTA a été réalisé dans un N₂ ambiante à la température de 700 °C pendant 45 s. Les échantillons QD ont été protégés par un capuchon de proximité GaAs pendant le processus de recuit.

Schéma de principe et morphologie de la structure laser InAs/GaAs QDs LC-DFB. un Schéma de principe de la structure laser InAs/GaAs QD LC-DFB. En médaillon :image MET en coupe transversale de la structure de la couche active QD. b La vue de dessus de l'image SEM de la structure laser LC-DFB avec un réseau de premier ordre. Encart :mise au point de l'image SEM agrandie sur le joint entre le réseau et le guide d'onde de la crête

Conception, fabrication et caractérisation du LC-DFB

Le schéma de principe de la structure laser LC-DFB conçue est illustré à la Fig. 1a. Cette approche de conception permet la fabrication de lasers LC-DFB juste par une croissance épitaxiale ronde et réduit le rapport d'aspect dans la gravure de réseau optique. La formation du guide d'ondes à nervure étroite et de sa structure de réseau à couplage latéral est divisée en deux étapes de traitement, qui sont différentes du processus de lithographie de définition traditionnel [1, 9, 10]. La fabrication du réseau couplé latéralement nécessite une gravure peu profonde et cela réduit le rapport d'aspect élevé en gravure sèche exigé par l'approche de gravure profonde traditionnelle. De plus, la gravure des réseaux à seulement plus d'une centaine de nanomètres dans les semi-conducteurs permet de réaliser facilement la structure de réseau avec de très petites tailles de caractéristiques, comme le réseau de premier ordre, et offre ainsi une nouvelle opportunité de développer une structure de dispositif ingénieuse vers des applications THz.

En se référant au principe de couplage du LC-DFB, il est bien connu que la proximité des réseaux avec le faîtage est un facteur clé qui influence fortement les performances du laser [20]. Dans le processus de fabrication, une fois le guide d'onde de crête défini pour la première fois, l'échantillon pour la lithographie par faisceau d'électrons (EBL) a une différence de hauteur par rapport au guide d'onde, et la résine photosensible s'empilera sur la paroi latérale pendant l'EBL, ce qui rend difficile la fabrication la formation de grille adjacente à la crête. Afin de résoudre le problème du revêtement photorésistant non uniforme et de former un réseau de haute qualité modelé par EBL, l'épaisseur de la résine de polyméthacrylate de méthyle (PMMA) a été soigneusement sélectionnée pour être aussi mince que 75 nm, ce qui est optimisé pour permettre la qualité du réseau. pour atteindre leurs points d'équilibre. Le laser LC-DFB a été fabriqué par les procédures suivantes. Tout d'abord, un SiO₂ 75 nm a été déposée au-dessus de la structure d'épitaxie en utilisant un dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD), qui agit comme couche de protection contre la gravure pour la gravure peu profonde des réseaux. La structure du guide d'ondes en crête a été modelée par lithographie optique et gravée à une profondeur d'environ 1,75 μm avec la technique du plasma à couplage inductif (ICP) avec un mélange gazeux de Cl₂ et BCl₃ . La structure du guide d'ondes ayant été définie, la couche de gaine supérieure en AlGaAs du côté p a été encore gravée par gravure humide qui a été arrêtée à ~ 280 nm au-dessus des régions actives QD. Après cela, l'échantillon a été revêtu par centrifugation de résine PMMA (poids moléculaire de 950 K et épaisseur de 75 nm) et cuit pendant 90 s à 180 °C. Le réseau de premier ordre a été défini à côté du guide d'ondes de crête par EBL, puis l'image de réserve a été transférée dans l'AlGaAs par gravure sèche ICP. Les taux de gravure de la résine PMMA et de l'AlGaAs étaient respectivement d'environ 5 nm/s et 10 nm/s. Une image de microscopie électronique à balayage (MEB) de la structure LC-DFB fabriquée est illustrée à la figure 1b. Bénéficiant du choix judicieux de la dose d'exposition à l'EBL et de l'empilement de résine photosensible grandement atténué grâce à la résine mince, les réseaux sont étroitement liés au guide d'onde de la crête laser, comme le révèle l'encart de la figure 1b. La profondeur de gravure du réseau est de 135 nm et la période de réseau est de 194 nm. Pour obtenir un laser à double longueur d'onde précisément et largement réglé, deux périodes de Bragg différentes ont été fabriquées pour les réseaux latéraux des deux côtés du guide d'onde de la crête. La couche de contact ohmique sur le guide d'onde de crête était complètement protégée par le SiO₂ de 75 nm d'épaisseur couche protectrice pour assurer la survie du contact ohmique pendant le processus de gravure ICP. Le réseau gravé peu profond a été contrôlé pour être à 150 nm au-dessus de la plage active QD pour former un bon couplage avec la lumière. Dans un but d'isolation et de planarisation, une autre couche de SiO₂ a été déposé sur l'échantillon au PECVD après gravure des réseaux. Enfin, une gravure sèche par gravure ionique réactive (RIE) a été utilisée pour ouvrir une fenêtre de contact dans SiO₂ . Ti/Au et Au/Ge/Ni/Au ont ensuite été déposés pour former respectivement les contacts ohmiques supérieur et inférieur. Les substrats ont été amincis à environ 80 μm pour minimiser l'effet d'auto-échauffement. Les cavités laser de 1 et 0,45 mm de long ont été fabriquées, et les facettes émettrices n'ont pas été revêtues. Les barres laser ont été montées avec le côté p vers le haut sur un dissipateur thermique en cuivre, et toutes les mesures ont été effectuées en mode CW.

Résultats et discussion

La figure 2a montre une caractéristique typique puissance-courant-tension (P-I-V) du laser LC-DFB tel que fabriqué sur la base d'une structure QD à modulation multiple dopée p. Le laser montre une efficacité de pente élevée évidente de 0,20 W/A et un seuil bas de 33 mA, ce qui révèle la haute qualité du matériau et le gain optique élevé de la structure QD. La densité de courant de seuil et l'efficacité de la pente par rapport à la température pour un laser QD LC-DFB non dopé et un laser dopé p sont présentés dans les Fig. 2b, c, respectivement. La température caractéristique pour la densité de courant seuil (T ₀ ) de 52,3 K est calculé pour le laser QD LC-DFB non dopé comme le montre la figure 2b, tandis que le T ₀ pour le laser QD LC-DFB dopé p a une augmentation significative, en particulier dans la plage de température de 15 à 50 °C, dans laquelle un T infini ₀ Est observé. De plus, dans cette plage de température, l'efficacité de pente ne montre quasiment aucune dégradation (dégradation de 2,6% pour le laser QD LC-DFB non dopé), indiquant une température caractéristique infinie pour l'efficacité de pente (T ₁ ) pour le laser LC-DFB dopé p également. La grande différence des deux T ₀ et T ₁ entre les lasers LC-DFB non dopés et p-dopés est principalement attribué aux effets induits par les trous en excès intégrés dus au dopage p de modulation qui peut inhiber de manière significative l'élargissement thermique des trous dans les niveaux d'énergie rapprochés [21, 22 ]. Sur la base des résultats ci-dessus, le laser QD LC-DFB dopé p a été sélectionné pour la caractérisation plus poussée des spectres laser.

P–I–V et dépendance à la température caractéristiques du laser LC-DFB. un Caractéristique P–I–V du laser LC-DFB dopé p à RT. b Dépendances en température de la densité de courant seuil pour les lasers LC-DFB non dopés et dopés p. c Dépendances de la température de l'efficacité de la pente pour les lasers LC-DFB non dopés et dopés p

L'encart de la Fig. 3 montre un spectre d'émission du laser LC-DFB dopé p de 1 mm de longueur de cavité mesurée sous I = 2Je _ème niveau d'injection à température ambiante (RT), et un seul mode longitudinal laser à 1292,4 nm avec un très grand SMSR de 47 dB peut être observé. La figure 3 montre la longueur d'onde d'émission en fonction de la température de fonctionnement du laser LC-DFB dopé p, qui révèle un taux de variation de seulement 0,092 nm/K. La stabilité à haute température de la longueur d'onde laser est en bon accord avec le coefficient de température de l'indice de réfraction, qui est environ cinq fois inférieur à celui du décalage de gain du matériau.

Dépendance à la température de la longueur d'onde d'émission. En médaillon :spectre d'émission du laser LC-DFB dopé p mesuré à 2I _ème

Récemment, Goshima et al. [10] ont rapporté un laser LC-DFB QD InAs/GaAs de 1,3 μm fabriqué par des réseaux profonds gravés verticalement dans la structure du guide d'ondes de crête, et une faible efficacité de pente inférieure à 0,03 W/A et un petit SMSR de 20 dB ont été observés, qui sont principalement en raison des pertes importantes du guide d'ondes causées par le processus de gravure en profondeur. Avec une structure de grille peu profonde, Briggs et al. [23] ont fabriqué avec succès des lasers LC-DFB à base de GaSb avec un SMSR plus important de 25 dB. Mais une amélioration supplémentaire a été limitée par le coefficient de couplage inférieur en raison de la grande distance entre les réseaux et le guide d'onde de la crête, ce qui est crucial pour les performances d'un laser LC-DFB. Dans notre travail, le guide d'ondes à crête étroite et les structures de réseau ont été fabriqués séparément, ce qui a entraîné une paroi latérale très nette et lisse du guide d'ondes à crête et donc peu de perte de guide d'ondes. La méthode de gravure peu profonde pour la fabrication du réseau utilisée dans nos expériences peut réduire considérablement le rapport d'aspect des réseaux gravés et permettre la fabrication de la structure de réseau de premier ordre de haute qualité qui assure un bon couplage avec la lumière. En contrôlant soigneusement l'épaisseur de la résine PMMA et les paramètres de lithographie EBL, les phénomènes d'empilement de la résine photosensible à côté de la paroi latérale des crêtes ont été efficacement atténués, ce qui conduit à la formation de réseaux étroitement adjacents au guide d'ondes de la crête laser. De plus, la densité de points élevée de ~ 4,3 × 10 ¹⁰ cm ⁻² obtenu en optimisant les paramètres de croissance de l'épitaxie MBE et le gain élevé des assemblages QD réalisés par le dopage p de modulation et le traitement de recuit post-croissance peuvent expliquer le SMSR important de 47 dB de notre laser LC-DFB.

Outre les applications répandues déjà démontrées dans les systèmes de transmission optique longue distance et de multiplexage par répartition en longueur d'onde (WDM) en raison des caractéristiques supérieures du spectre d'émission étroit et de la stabilité thermique élevée, les lasers LC-DFB ont également démontré des avantages pour générer un rayonnement CW THz. Par rapport à la méthode traditionnelle pour créer un rayonnement THz en utilisant deux lasers à diode indépendants [24,25,26], les lasers LC-DFB avec émission simultanée de deux modes sont très attrayants pour la fabrication de sources de rayonnement THz en raison de leur rentabilité, leur compacité, haute stabilité et haute qualité spectrale. Contrairement aux lasers à puits quantique (QW), les émetteurs à base de QD sont bien adaptés aux sources accordables à large bande en raison de deux caractéristiques uniques des structures QD. Premièrement, la nature de la faible densité d'états conduit à une saturation facile des niveaux GS, entraînant une population supplémentaire des états excités (ES). Deuxièmement, la variation de taille de point peut être utilisée pour étendre la plage de réglage, du fait que la large distribution de taille de l'ensemble QD auto-assemblé conduit à un large spectre d'émission de lumière régi par l'effet de taille quantique.

La structure LC-DFB composée de réseaux latéraux fabriqués indépendamment permet une grande flexibilité dans la définition de la longueur d'onde de Bragg conçue. Le laser à double longueur d'onde peut être obtenu en fabriquant deux ensembles de réseaux de périodes de Bragg différentes Ʌ ₁ et Ʌ ₂ qui permettent deux longueurs d'onde différentes λ ₁ et λ ₂ . La méthode rapportée ici consiste à définir deux périodes de réseau différentes pour chaque côté des réseaux. Les mesures laser à double longueur d'onde ont été effectuées dans des conditions CW. Un laser stable à double longueur d'onde, avec un SMSR d'environ 40 dB, a été observé. Comme illustré sur la figure 4a, les lignes cyan foncé, bleue, rouge et noire présentent des spectres laser avec deux longueurs d'onde laser différentes. Pour un laser LC-DFB de 1 mm avec une différence de période de réseau Ʌ ₁ − Ʌ₂ = 0,10 nm, les deux longueurs d'onde laser sont respectivement de 1292,40 et 1292,90 nm, ce qui donne un espacement de longueur d'onde de 0,50 nm correspondant à la différence de fréquence de ~ 0,10 THz. En réglant la différence de période de réseau à 0,64 nm, l'espacement des deux longueurs d'onde peut être étendu à 4,1 nm, ce qui correspond à une fréquence de battement de 0,74 THz.

Le spectre du laser LC-DFB bimode. un Spectres d'émission du laser LC-DFB à double longueur d'onde avec une période de réseau différente. b Large espacement des spectres laser bimode du laser LC-DFB avec une longueur de cavité ultra-courte de 450 μm

Pour obtenir une plus grande plage de réglage du laser bimode, la longueur de la cavité des lasers LC-DFB a été soigneusement raccourcie à 450 μm, ce qui entraîne le laser GS et ES simultané en raison de l'effet de la saturation du gain GS et de l'augmentation de la population du laser. ES. La structure du laser LC-DFB se compose de deux périodes de Bragg différentes de 182 et 194 nm, respectivement, ce qui est similaire à ce qui a été décrit dans les rapports précédents [27, 28]. Comme le montre la figure 4b, les deux modes longitudinaux présentent une grande séparation de longueur d'onde de 73,4 nm, correspondant à la différence de fréquence de 14 THz. En mettant en œuvre deux réseaux de périodes différentes latéralement à un guide d'ondes à crête et en raccourcissant délicatement la longueur de la cavité pour permettre le laser ES, les diodes laser à base d'InAs/GaAs QD pourraient émettre des lignes laser doubles d'un très large espacement de longueur d'onde réglable de 0,5 à 73,4 nm correspondant à 0,10 –14 THz de différence de fréquence. Comparé à d'autres types de schémas proposés de photomixage THz basés sur deux lasers séparés, notre dispositif offre les avantages d'une structure simple, d'une taille compacte, d'un faible coût de fabrication et d'une plage de réglage très large.

Conclusions

Un laser LC-DFB QD de 1,3 m avec des réseaux gravés peu profonds a été fabriqué, dans lequel la complexité de la prolifération et les difficultés des processus de gravure profonde dans le processus général de fabrication du laser DFB sont évitées avec succès. Bénéficiant du gain de matériau élevé des échantillons QD préparés avec un dopage p de modulation, un traitement RTA et une structure de guide d'ondes laser LC-DFB optimisée, l'appareil présente un SMSR important de 47 dB et une stabilité thermique élevée dλ/dT de 0,092 nm/K . En définissant deux périodes différentes pour les réseaux de chaque côté du guide d'ondes à nervure étroite ou en raccourcissant la longueur de la cavité laser, deux lignes laser peuvent être obtenues simultanément et l'espacement entre les deux longueurs d'onde laser peut être réglé de manière flexible et largement, ce qui peut être modifié de 0,5 à 73,4 nm, correspondant à la différence de fréquence de 0,10 à 14 THz. Il est à noter que cette large plage d'accord est réalisée dans un seul dispositif laser, ce qui n'a pas été signalé jusqu'à présent. Ces résultats démontrent l'application prometteuse des lasers LC-DFB pour générer un rayonnement CW THZ.

Abréviations

CW :

Onde continue

DFB :

Commentaires distribués

EBL :

Lithographie par faisceau d'électrons

ES :

États excités

GS :

État fondamental

ICP :

Plasma à couplage inductif

LC-DFB :

Rétroaction distribuée couplée latéralement

MOCVD :

Dépôt chimique en phase vapeur métalorganique

PECVD :

Dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma

P–I–V :

Puissance-courant-tension

PMMA :

Polyméthacrylate de méthyle

QD :

Point quantique

QW :

Puits quantique

RT :

Température ambiante

RTA :

Recuit thermique rapide

SEM :

Microscopie électronique à balayage

SMSR :

Taux de suppression de mode latéral

TEM :

Microscopie électronique à transmission

WDM :

Multiplexage de longueur d'onde