Laser DFB InAs/GaAs à points quantiques bimode pour applications THz à accord large en onde continue

Résumé

Dans cet article, un laser à rétroaction distribuée à couplage latéral (LC-DFB) basé sur des structures à points quantiques (QD) InAs/GaAs multiples à dopage p par modulation a été fabriqué. Le dispositif présente un rapport de suppression des modes latéraux (SMSR) élevé de > 47 dB et une grande stabilité thermique de dλ/dT = 0,092 nm/K en fonctionnement onde continue (CW), ce qui est principalement attribué au gain matériel élevé préparé par dopage p par modulation et processus de recuit thermique rapide (RTA), et aux pertes de guide d'onde significativement réduites par les gratings peu profonds et leur proximité avec la crête du laser dans le laser LC-DFB. Avec cette performance supérieure du laser DFB, une opération laser bimode à large accord a été obtenue en définissant délicatement différentes périodes pour les structures de grating sur les deux côtés de la crête du laser ou en combinant la longueur de cavité réduite. L'espacement de longueur d'onde entre les deux modes laser peut être ajusté de manière flexible dans une gamme très large de 0,5 à 73,4 nm, correspondant à une différence de fréquence de 0,10 à 14 THz, ce qui est la plus grande plage d'accord par l'utilisation d'un seul dispositif et offre donc une nouvelle opportunité vers la génération de rayonnement THz en onde continue.

Contexte

Les lasers à rétroaction distribuée (DFB) sont techniquement significatifs pour leur large gamme d'applications dans les communications optiques à 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 poursuivre des lasers DFB haute performance, et les lasers DFB basés sur points quantiques (QD) ont exhibé des performances avantageuses telles que courant de seuil faible, efficacité quantique élevée, large plage d'accord de longueur d'onde et stabilité à haute température par rapport aux dispositifs commerciaux basés sur puits quantiques [4,5,6]. Le dopage p par modulation dans les structures laser à points quantiques a été démontré comme une méthode efficace pour améliorer davantage les performances des lasers QD, y compris la stabilité thermique [7] et les caractéristiques de modulation haute vitesse [8] en raison du gain d'état fondamental (GS) significativement amélioré. De plus, il a également été constaté que le recuit thermique rapide (RTA) est une autre façon 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 produits pendant la croissance épitaxiale. 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 à 1,3 µm qui montre de hautes performances statiques et dynamiques ; cependant, après la fabrication d'une structure de grating de Bragg et la croissance épitaxiale de la couche de confinement inférieure et de la région active, une étape de re-croissance par dépôt chimique en phase vapeur métallorganique (MOCVD) est requise pour compléter la structure laser entière, conduisant à de nombreux facteurs complexes et incertains [1]. Pour éviter le processus de re-croissance, Goshima et al. ont proposé une structure de laser DFB à couplage latéral (LC-DFB) basée sur QD qui a été réalisée en gravant profondément le grating verticalement dans le guide d'onde de crête, mais de faibles rendements différentiels inférieurs à 0,03 W/A et un petit rapport de suppression des modes latéraux (SMSR) de 20 dB ont été observés en raison de grandes pertes de guide d'onde [10]. Les pertes de guide d'onde proviennent principalement du processus de gravure profonde, par lequel la structure de grating de haute qualité et uniforme est très difficile à réaliser en raison des problèmes techniques d'exigence de rapport d'aspect élevé (normalement 20:1) que ce soit en gravure sèche ou humide [11]. Donc, afin de réaliser un laser DFB super haute performance, il est nécessaire de tracer un moyen de combiner la région active QD optimisée avec une structure de guide d'onde de dispositif améliorée.

Les sources de rayonnement à fréquence térahertz (THz) ont attiré une attention considérable pour leurs applications médicales, agricoles, environnementales et de sécurité prospères [12, 13] et le fonctionnement à onde continue (CW) à accord de fréquence de la source de rayonnement THz avec taille compacte et faible coût est particulièrement désiré. Récemment, divers lasers bimodes semiconducteurs ont été étudiés dans le but de développer une source de battement optique pour le photomélange THz. Un large accord de fréquence a été démontré en utilisant des lasers à cavité externe qui émettent simultanément deux lignes de longueurs d'onde différentes [14, 15]. Cependant, les pièces mobiles mécaniques dans le système laser à cavité externe ne sont ni commodes ni stables pour l'accord de longueur d'onde. Les signaux THz CW peuvent aussi être générés en utilisant deux faisceaux laser DFB indépendants de fréquences légèrement différentes. Cette technique a émergé comme un excellent choix pour générer le 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 ces configurations rapportées 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, stabilité à haute température et haute qualité spectrale [3, 19].

Dans ce travail, les structures laser InAs/GaAs QD multiples ont été cultivées par épitaxie par faisceau moléculaire (MBE), et un dopage p par modulation a été appliqué à la région active QD. Après croissance épitaxiale, les échantillons QD ont été traités par un processus de recuit post-croissance. Pour éviter l'étape de re-croissance et réduire le rapport d'aspect dans la gravure de grating, le laser LC-DFB a été fabriqué avec des gratings peu profonds. Les lasers LC-DFB à gravure peu profonde basés sur les QD dopés p exhibent un rendement différentiel élevé de 0,2 W/A, un grand SMSR de 47 dB, et une grande stabilité thermique dλ/dT de 0,092 nm/K. En plus, l'émission bimode a été obtenue avec succès avec les lasers LC-DFB en fabriquant deux ensembles de gratings de périodes différentes, et les longueurs d'onde laser peuvent être simplement manipulées en modifiant délicatement les périodes de grating, ce qui permet un accord de grande gamme de la différence de fréquence des deux modes laser de 0,10 à 14 THz. Notre travail démontre les applications prometteuses des lasers LC-DFB basés sur QD pour les communications optiques à fibre longue distance et les sources de rayonnement THz CW.

Méthodes

Préparation et caractérisation des matériaux

Les structures laser InAs/GaAs QD ont été cultivées sur substrats GaAs (100) dopés Si par un système MBE. La région active de la structure laser est 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 recouverts d'une couche réductrice de contrainte InGaAs de 6 nm d'épaisseur. Et toute la région active est prise en sandwich par les couches de confinement du ~ 2800 nm n-Al_0,3Ga_0,7As inférieur et du ~ 1800 nm p-Al_0,3Ga_0,7As supérieur. Le dépôt de l'InAs à une température de croissance de 510 °C et un taux de croissance de 0,01 ML/s. Le dopage p par modulation avec Be a été conduit dans une couche de 6 nm située dans la couche d'espacement GaAs 10 nm sous chaque couche QD, et la concentration de dopage a été contrôlée à 25 accepteurs par point. L'image de microscopie électronique en transmission (TEM) en coupe transversale des couches QD InGa/GaAs est montrée Fig. 1a. La densité des QD InAs/GaAs est déterminée à 4 × 10¹⁰ cm⁻² par mesure au microscope à force atomique. Le traitement RTA a été effectué dans une ambiance N₂ à la température de 700 °C pendant 45 s. Les échantillons QD étaient protégés par une capsule de proximité GaAs pendant le processus de recuit.

Schéma et morphologie de la structure laser LC-DFB InAs/GaAs QD. a Schéma de la structure laser LC-DFB InAs/GaAs QD. Encart : image TEM en coupe transversale de la structure de la couche active QD. b Vue de dessus de l'image SEM de la structure laser LC-DFB avec grating d'ordre 1. Encart : image SEM agrandie focalisée sur la jonction entre le grating et le guide d'onde de crête.

Conception, fabrication et caractérisation du LC-DFB

Le schéma de la structure laser LC-DFB conçue est montré Fig. 1a. Cette approche de conception permet la fabrication de lasers LC-DFB par une seule croissance épitaxiale et réduit le rapport d'aspect dans la gravure de grating optique. La formation du guide d'onde de crête étroit et de sa structure de grating à couplage latéral est divisée en deux étapes de traitement, ce qui diffère du processus de lithographie définissant traditionnel [1, 9, 10]. La fabrication du grating à couplage latéral nécessite une gravure peu profonde et cela réduit le rapport d'aspect élevé dans la gravure sèche exigé par l'approche de gravure profonde traditionnelle. De plus, graver les gratings seulement sur quelques centaines de nanomètres dans les semiconducteurs permet la structure de grating avec des tailles de caractéristiques très petites comme le grating d'ordre 1 à être facilement réalisée et fournit donc une nouvelle opportunité de développer une structure de dispositif ingénieuse vers les applications THz.

Se référant au principe de couplage du LC-DFB, il est bien connu que la proximité des gratings par rapport à la crête est un facteur clé qui influence grandement la performance du laser [20]. Dans le processus de fabrication, après que le guide d'onde de crête est d'abord défini, l'échantillon pour la lithographie par faisceau d'électrons (EBL) a une différence de hauteur par rapport au guide d'onde, et le photorésiste s'empilera le long du bord latéral pendant l'EBL, ce qui rend difficile la formation du grating adjacent à la crête. Afin de résoudre le problème du revêtement de photorésiste non uniforme et de former un grating de haute qualité patterné par EBL, l'épaisseur du photorésiste polyméthyméthacrylate (PMMA) a été soigneusement sélectionnée pour être aussi fine que 75 nm, ce qui est optimisé pour permettre à la qualité du grating d'atteindre leurs points d'équilibre. Le laser LC-DFB a été fabriqué à travers les procédures suivantes. Premièrement, une couche SiO₂ de 75 nm a été déposée sur le dessus de la structure épitaxiale en utilisant le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD), qui agit comme couche de protection pour la gravure peu profonde des gratings. La structure de guide d'onde de crête a été patternée en utilisant la lithographie optique et gravée à une profondeur d'environ 1,75 µm avec la technique de plasma à couplage inductif (ICP) avec un mélange gazeux de Cl₂ et BCl₃. Avec la structure de guide d'onde ayant été définie, la couche de confinement supérieure p-AlGaAs a été davantage gravée par gravure humide qui s'est arrêtée à ~ 280 nm au-dessus des régions actives QD. Après cela, l'échantillon a été enduit par centrifugation de photorésiste PMMA (poids moléculaire 950 K et épaisseur 75 nm) et cuit pendant 90 s à 180 °C. Le grating d'ordre 1 a été défini le long du guide d'onde de crête par EBL, et ensuite l'image du photorésiste a été transférée dans l'AlGaAs par gravure sèche ICP. Les taux de gravure du photorésiste PMMA et de l'AlGaAs étaient d'environ 5 nm/s et 10 nm/s respectivement. Une image de microscopie électronique à balayage (SEM) de la structure LC-DFB fabriquée est montrée Fig. 1b. Bénéficiant du choix soigneux de la dose d'exposition EBL et de l'atténuation grandement allégée de l'empilement de photorésiste due au photorésiste fin, les gratings sont étroitement liés au guide d'onde de crête laser, comme révélé par l'encart de Fig. 1b. La profondeur de gravure du grating est de 135 nm, et la période du grating est de 194 nm. Pour atteindre un accord précis et large du laser bimode, deux périodes de Bragg différentes ont été fabriquées pour les gratings latéraux des deux côtés du guide d'onde de crête. La couche de contact ohmique sur le guide d'onde de crête a été complètement protégée par la couche de protection SiO₂ de 75 nm d'épaisseur pour assurer la survie du contact ohmique pendant le processus de gravure ICP. Le grating peu profond a été contrôlé à 150 nm au-dessus de la gamme active QD pour former un bon couplage avec la lumière. Pour l'isolation et la planarisation, une autre couche de SiO₂ a été déposée sur l'échantillon avec PECVD après gravure des gratings. Finalement, la gravure sèche par réactif ionique (RIE) a été employée pour ouvrir une fenêtre de contact dans le SiO₂. Ti/Au et Au/Ge/Ni/Au ont alors été déposés pour former les contacts ohmiques supérieurs et inférieurs respectivement. Les substrats ont été amincis jusqu'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'étaient pas revêtues. Les barres laser ont été montées côté p vers le haut sur un dissipateur de chaleur en cuivre, et toutes les mesures ont été effectuées sous fonctionnement CW.

Résultats et Discussion

La Figure 2a montre une caractéristique typique puissance-courant-tension (P-I-V) du laser LC-DFB fabriqué basé sur une structure QD multiple à dopage p par modulation. Le laser montre une efficacité différentielle évidente de 0,20 W/A et un seuil faible de 33 mA, ce qui révèle la haute qualité du matériau et le haut gain optique de la structure QD. La densité de courant de seuil et l'efficacité différentielle par rapport à la température pour un laser LC-DFB QD non dopé et un laser LC-DFB QD dopé p sont présentés Fig. 2b, c respectivement. La température caractéristique pour la densité de courant de seuil (T₀) de 52,3 K est calculée pour le laser LC-DFB QD non dopé comme vu Fig. 2b, tandis que le T₀ pour le laser LC-DFB QD dopé p a une augmentation significative, surtout dans la plage de température de 15 à 50 °C, dans laquelle un T₀ infini est observé. De plus, dans cette plage de température, l'efficacité différentielle montre presque aucune dégradation (dégradation de 2,6% pour le laser LC-DFB QD non dopé), indiquant une température caractéristique infinie pour l'efficacité différentielle (T₁) pour le laser LC-DFB dopé p également. La grande différence de T₀ et T₁ entre les lasers LC-DFB non dopés et dopés p est principalement attribuée aux effets induits par les trous en excès intégrés dus au dopage p par modulation qui peuvent inhiber significativement l'élargissement thermique des trous dans les niveaux d'énergie étroitement espacés [21, 22]. Basé sur les résultats ci-dessus, le laser LC-DFB QD dopé p a été sélectionné pour la caractérisation ultérieure des spectres laser.

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

L'encart de Fig. 3 montre un spectre d'émission du laser LC-DFB dopé p de 1 mm de longueur de cavité mesuré sous I = 2I_th niveau d'injection à température ambiante (RT), et un lasing mono-mode longitudinal 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, ce qui révèle un taux de variation de seulement 0,092 nm/K. La grande stabilité thermique 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 du gain matériel.

Dépendance en température de la longueur d'onde d'émission. Encart : spectre d'émission du laser LC-DFB dopé p mesuré à 2I_th.

Récemment, Goshima et al. [10] ont rapporté un laser LC-DFB QD InAs/GaAs à 1,3 µm fabriqué par gratings profonds gravés verticalement dans la structure de guide d'onde de crête, et de faibles rendements différentiels inférieurs à 0,03 W/A et un petit SMSR de 20 dB ont été observés, qui sont principalement dus aux grandes pertes de guide d'onde causées par le processus de gravure profonde. Avec une structure de grating peu profonde, Briggs et al. [23] ont fabriqué avec succès des lasers LC-DFB basés sur GaSb avec un SMSR plus grand de 25 dB. Mais une amélioration supplémentaire était limitée par le coefficient de couplage plus faible dû à la grande distance entre les gratings et le guide d'onde de crête, ce qui est crucial pour la performance d'un laser LC-DFB. Dans notre travail, le guide d'onde de crête étroit et les structures de grating ont été fabriqués séparément, résultant en un bord latéral très net et lisse du guide d'onde de crête et donc peu de perte de guide d'onde. La méthode de gravure peu profonde pour la fabrication du grating employée dans nos expériences peut réduire fortement le rapport d'aspect des gratings gravés et permettre la fabrication de structure de grating d'ordre 1 de haute qualité qui assure un bon couplage avec la lumière. En contrôlant soigneusement l'épaisseur du photorésiste PMMA et les paramètres de lithographie EBL, les phénomènes d'empilement de photorésiste le long du bord latéral des crêtes ont été efficacement allégés, ce qui conduit à la formation de gratings étroitement adjacents au guide d'onde de crête laser. En plus, la haute densité de points d'environ 4,3 × 10¹⁰ cm⁻² obtenue par l'optimisation des paramètres de croissance épitaxiale MBE et le haut gain des assemblages QD réalisé par le dopage p par modulation et le traitement de recuit post-croissance peuvent rendre compte du grand SMSR de 47 dB de notre laser LC-DFB.

Outre les applications répandues déjà démontrées dans la transmission optique à longue distance et les systèmes de multiplexage en longueur d'onde (WDM) en raison des caractéristiques supérieures du spectre d'émission étroit et de la grande stabilité thermique, les lasers LC-DFB ont aussi démontré des avantages pour générer le rayonnement THz CW. Comparé à la méthode traditionnelle pour créer le rayonnement THz en utilisant deux diodes laser indépendantes [24,25,26], les lasers LC-DFB avec émission simultanée de deux modes sont très attractifs pour fabriquer des sources de rayonnement THz en raison de la rentabilité, compacité, grande stabilité et haute qualité spectrale. En contraste avec les lasers à puits quantiques (QW), les émetteurs basés sur QD sont bien adaptés pour les sources à large accord en raison de deux caractéristiques uniques des structures QD. Premièrement, la nature de faible densité d'états mène à la saturation facile des niveaux GS, résultant dans la population supplémentaire des états excités (ES). Deuxièmement, la variation de taille des points peut être utilisée pour étendre la plage d'accord, du fait que la large distribution de taille de l'ensemble QD auto-assemblé mène à un large spectre d'émission de lumière gouverné par l'effet de taille quantique.

La structure LC-DFB composée de gratings latéraux fabriqués indépendamment permet une grande flexibilité dans la définition de la longueur d'onde de Bragg conçue. Le lasing bimode peut être atteint en fabriquant deux ensembles de gratings de périodes de Bragg différentes Λ₁ et Λ₂ qui permettent deux longueurs d'onde différentes λ₁ et λ₂. La méthode rapportée ici implique la définition de deux périodes de grating différentes pour chaque côté des gratings. Les mesures de lasing bimode ont été effectuées sous conditions CW. Un lasing bimode stable, avec SMSR autour de 40 dB, a été observé. Comme illustré Fig. 4a, les lignes cyan foncé, bleu, rouge et noire exhibent des spectres laser avec deux longueurs d'onde laser différentes. Pour un laser LC-DFB de 1 mm avec différence de période de grating Λ₁ − Λ₂ = 0,10 nm, les deux longueurs d'onde laser sont 1292,40 et 1292,90 nm respectivement, donnant un espacement de longueur d'onde de 0,50 nm correspondant à la différence de fréquence de ~ 0,10 THz. En accordant la différence de période de grating à 0,64 nm, l'espacement bimode peut être étendu à 4,1 nm ce qui correspond à une fréquence de battement de 0,74 THz.

Spectre du laser LC-DFB bimode. a Spectres d'émission du laser LC-DFB bimode avec différentes périodes de grating. b Grand espacement des spectres de lasing bimode du laser LC-DFB avec une longueur de cavité ultra-courte de 450 µm.

Pour obtenir une plus grande plage d'accord du lasing bimode, la longueur de cavité des lasers LC-DFB a été soigneusement raccourcie à 450 µm, ce qui résulte en lasing GS et ES simultané dû à l'effet de saturation du gain GS et augmentation de la population de l'ES. La structure laser LC-DFB consiste en 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 montré Fig. 4b, les deux modes longitudinaux exhibent une grande séparation de longueur d'onde de 73,4 nm, correspondant à la différence de fréquence de 14 THz. En implémentant deux gratings de périodes différentes latéralement à un guide d'onde de crête et en raccourcissant délicatement la longueur de cavité pour permettre le lasing ES, les diodes laser basées sur QD InAs/GaAs pourraient émettre des lignes de lasing bimode à espacement de longueur d'onde très largement accordable de 0,5 à 73,4 nm correspondant à 0,10–14 THz différence de fréquence. Comparé avec d'autres types de schémas proposés de photomélange THz basés sur deux lasers séparés, notre dispositif offre les avantages de structure simple, taille compacte, faible coût de fabrication et très large plage d'accord.

Conclusions

Un laser QD LC-DFB à 1,3 µm avec gratings peu profonds a été fabriqué, dans lequel la complexité de la re-croissance et les difficultés des processus de gravure profonde dans le processus de fabrication général de laser DFB sont évitées avec succès. Bénéficiant du haut gain matériel des échantillons QD préparés avec dopage p par modulation, traitement RTA, et structure de guide d'onde LC-DFB optimisée, le dispositif exhibe un grand SMSR de 47 dB et une grande stabilité thermique dλ/dT de 0,092 nm/K. Par le moyen de définir deux périodes différentes aux gratings de chaque côté du guide d'onde de crête étroit ou de raccourcir la longueur de cavité laser, deux lignes laser peuvent être obtenues simultanément et l'espacement entre les deux longueurs d'onde laser peut être ajusté de manière flexible et large, 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 notable que cette large plage d'accord est réalisée dans un seul dispositif laser, ce qui n'a pas été rapporté jusqu'à présent. Ces résultats démontrent l'application prometteuse des lasers LC-DFB pour générer le rayonnement THZ CW.

Abréviations

CW :

Onde continue (Continuous-wave)

DFB :

Rétroaction distribuée (Distributed feedback)

EBL :

Lithographie par faisceau d'électrons (Electron-beam lithography)

ES :

États excités (Excited states)

GS :

État fondamental (Ground state)

ICP :

Plasma à couplage inductif (Inductively coupled plasma)

LC-DFB :

Rétroaction distribuée à couplage latéral (Laterally coupled distributed feedback)

MOCVD :

Dépôt chimique en phase vapeur métallorganique (Metalorganic vapor chemical deposition)

PECVD :

Dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (Plasma-enhanced chemical vapor deposition)

P–I–V :

Puissance-courant-tension (Power–current–voltage)

PMMA :

Polyméthyméthacrylate (Polymethylmethacrylate)

QD :

Point quantique (Quantum dot)

QW :

Puits quantique (Quantum well)

RT :

Température ambiante (Room temperature)

RTA :

Recuit thermique rapide (Rapid thermal annealing)

SEM :

Microscopie électronique à balayage (Scanning electron microscopy)

SMSR :

Rapport de suppression des modes latéraux (Side-mode suppression ratio)

TEM :

Microscopie électronique en transmission (Transmission electron microscopy)

WDM :

Multiplexage en longueur d'onde (Wavelength division multiplex)