SESAM à points quantiques InAs/GaAs 1550 nm haute performance avec super-réseau à courte période pour lasers à fibre femtosecondes

Résumé

Les points quantiques (QD) III-V InAs/GaAs de faible dimensionnalité ont été appliqués avec succès aux miroirs absorbants saturables semi-conducteurs (SESAM) dans la gamme 900–1310 nm pour lasers pulsés ultrarapides, grâce à leur large bande passante, flexibilité de longueur d'onde et faible fluence de saturation. Cependant, obtenir un SESAM QD haute performance autour de 1550 nm reste un défi majeur en raison des obstacles à la croissance épitaxiale des structures QD. Dans ce travail, nous révélons pour la première fois que, dans le système QD InAs/GaAs conçu pour l'émission 1550 nm, le processus de relaxation des porteurs très faible depuis les couches de couverture (CL) vers les QD est la cause principale de la faible performance d'émission. En conséquence, nous avons développé un super-réseau à courte période (In_0,20Ga_0,80As/In_0,30Ga_0,70As)₅ comme CL pour les QD, réalisant une émission ~10 fois plus forte à 1550 nm comparé à la CL InGaAs conventionnelle. Basée sur cette structure QD améliorée, des SESAM QD haute performance ont été réalisés, exhibant une intensité de saturation très faible de 13,7 MW/cm² et une profondeur de modulation non-linéaire élevée de 1,6 %, permettant la construction de lasers à fibre verrouillés en mode femtosecondes à 1550 nm avec une excellente stabilité à long terme.

Introduction

Les lasers pulsés femtosecondes verrouillés en mode à 1550 nm ont de larges applications en communications optiques, optique ultrarapide et optique non-linéaire grâce à leur haute puissance de crête, faible effet thermique et haute énergie de pulsation. L'absorbant saturable (SA) à large bande passante optique, temps de réponse rapide et faibles pertes est le composant optique critique pour de tels lasers ultrarapides. De plus, un seuil de dommage élevé du SA est hautement souhaitable pour un fonctionnement stable à long terme d'un laser verrouillé en mode. Récemment, les matériaux bidimensionnels (2D) comme le graphène, les isolants topologiques, le phosphore noir et les dichalcogénures de métaux de transition ont attiré beaucoup d'attention comme SA pour lasers femtosecondes verrouillés en mode. Cependant, leur faible seuil de dommage et leur mauvaise stabilité de fonctionnement ont sévèrement entravé leurs applications larges. Les SESAM basés sur puits quantiques (QW) sont considérés comme candidats commerciaux pour lasers ultrarapides verrouillés en mode grâce à leur haute reproductibilité et excellente stabilité de fonctionnement, mais leurs bandes passantes de fonctionnement étroites et faible profondeur de modulation restent des obstacles majeurs à la réalisation de pulsations ultrarapides femtosecondes.

Récemment, grâce à leur large bande passante de fonctionnement et leur temps de récupération des porteurs rapide, les points quantiques (QD) InAs auto-assemblés par le mode Stranski-Krastanov sont apparus comme un excellent choix pour les SESAM afin de construire des lasers pulsés verrouillés en mode. Pour atteindre la longueur d'onde autour de 1550 nm, les QW InGaAsP sur InP sont généralement employés. Les bandes interdites des QD InGaAs sur GaAs peuvent généralement couvrir la gamme spectrale de 980 à 1310 nm, et une longueur d'onde plus longue au-delà de 1310 nm nécessite une teneur en indium bien plus élevée dans les couches de couverture (CL) des QD. Des alliages quaternaires InGaAsSb (InGaNAs) et des CL InGaAs à très haute teneur en In (> 30 %) ont été utilisés pour décaler la bande interdite des QD vers 1550 nm. Cependant, les CL en alliages quaternaires compliquent considérablement le processus de croissance épitaxiale, et la haute teneur en In dans les CL InGaAs dégrade la qualité cristalline et optique des QD, introduisant plus de centres de recombinaison non-radiatifs. L'émission 1550 nm a été obtenue avec des QD InAs/GaAs sur substrats métamorphiques, mais la fiabilité et la reproductibilité restent des problèmes graves. Dans nos travaux précédents, des QD InAs/GaAs asymétriques fonctionnant à 1550 nm ont été fabriqués, permettant un oscillateur en verre dopé Er verrouillé en mode avec largeur d'impulsion de 2 ps. Récemment, un SESAM QD 1550 nm avec structure InAs/GaAs couverte InGaAs a été réalisé, permettant un laser à fibre Er doublement longueurs d'onde commuté passivement en mode Q. Cependant, les performances des lasers obtenus étaient limitées par la faible profondeur de modulation (0,4 %) de ces SESAM QD. Il est donc hautement souhaitable d'explorer de nouvelles techniques pour optimiser les structures QD InAs/GaAs 1550 nm afin d'augmenter la profondeur de modulation de tels SESAM QD.

Dans ce travail, nous avons cultivé différentes structures QD InAs/GaAs conçues pour SESAM 1550 nm, avec CL en alliage InGaAs et CL en super-réseau à courte période (SSL) InGaAs, et avons étudié en profondeur leurs propriétés optiques. La spectroscopie de photoluminescence (PL) révèle une émission très faible à température ambiante (RT) autour de 1550 nm, non observable en dessous de 250 K. Ce phénomène contraste fortement avec les comportements température-dépendants bien connus des systèmes QD : l'intensité PL est plus forte à basse température, devenant très faible ou non observable à RT à cause de l'excitation thermique des porteurs confinés dans les QD. Les phénomènes anormaux observés dans les QD InAs/GaAs 1550 nm s'expliquent par le faible processus de relaxation des porteurs depuis la CL vers les QD, qui peut être significativement réduit en cultivant une CL SSL pour les QD. Les structures SSL fournissent de nombreux modes phononiques de grandes densités d'états vibratoires, boostant efficacement la relaxation des porteurs depuis les CL vers les QD. Ainsi, une émission 1550 nm 10 fois plus forte que les QD sans SSL est observée. La dynamique des porteurs supérieure dans les QD 1550 nm dote les SESAM QD d'une performance d'absorption saturable élevée, manifestée par une intensité de saturation très faible de 13,7 MW/cm² et une profondeur de modulation non-linéaire plus grande de 1,6 %, soit 4 fois la valeur rapportée précédemment. Grâce à la haute performance du SESAM QD avec CL SSL, nous avons construit avec succès un laser à fibre Er et obtenu un lasing verrouillé en mode stable à 1556 nm, avec une durée d'impulsion de 920 fs.

Méthodes

Croissance MBE des QD InAs/GaAs

Trois structures QD InAs/GaAs ont été cultivées par épitaxie par jets moléculaires (MBE). Tous les échantillons contiennent trois périodes de couches de points, chacune s'auto-assemblant à partir de 2,9 monocouches (ML) d'InAs. Comme montré figure 1, dans les échantillons 1 et 2, les QD InAs ont été cultivés sur GaAs et une couche tampon (BL) In_0,18Ga_0,82As de 1 nm, respectivement, et tous deux couverts d'une couche In_0,33Ga_0,67As de 6 nm d'épaisseur. Pour l'échantillon 3, les 2,9 ML d'InAs QD ont aussi été cultivés sur une BL In_0,18Ga_0,82As de 1 nm mais couverts d'un SSL de 10 nm d'épaisseur composé de 5 périodes d'In_0,20Ga_0,80As (1 nm) et In_0,30Ga_0,70As (1 nm). La température et le taux de croissance des QD InAs étaient de 510 °C et 0,01 ML/s. Les SESAM QD ont été fabriqués en cultivant une structure à une couche de points sur un réflecteur de Bragg distribué (DBR) inférieur contenant 31 paires de couches GaAs non dopé (115 nm) et Al_0,98Ga_0,02As (134 nm). Les températures de croissance pour GaAs et InGaAs étaient de 565 et 530 °C respectivement.

Méthodes de caractérisation

Les mesures PL ont été effectuées à des températures variant de 11 à 300 K avec un laser à état solide 532 nm. Les structures cristallographiques ont été caractérisées par diffraction des rayons X haute résolution utilisant la raie Cu Kα. Les morphologies des structures QD ont été examinées par microscopie à force atomique (AFM) en conditions ambiantes, mode non-contact, sur un système Nanoscope Dimension^TM 3100 SPM AFM. Les images MET ont été obtenues sur un microscope JEOL-2010 à 200 KeV.

Résultats et discussion

Les figures 2a, b, c présentent les spectres PL température-dépendants des échantillons 1, 2 et 3, acquis de 11 à 300 K avec une puissance d'excitation de 200 mW. Deux pics PL caractéristiques apparaissent : un pic étroit à courte longueur d'onde et un pic large à longue longueur d'onde. Le pic étroit vers 1170 nm à 11 K et ~1280 nm à 300 K provient de la luminescence des CL, tandis que le pic large vers 1550 nm à 300 K est attribué à l'émission des QD. Comme montré figure 2a, aux basses températures, seule l'émission des CL est observée ; l'émission vers 1550 nm des QD InAs apparaît quand la température atteint 250 K et s'intensifie avec l'augmentation de température. Un comportement similaire est observé pour l'échantillon 2 (fig. 2b). Généralement, pour les QD InAs/GaAs conçus pour émission plus courte (ex. 1300 nm), l'émission des QD domine les spectres PL aux basses températures, l'émission des CL ou couches mouillantes étant à peine observable. Cela s'explique par les niveaux d'énergie plus bas des structures QD et l'échappement thermique réduit des porteurs depuis les QD aux basses températures. Avec l'augmentation de température, l'intensité d'émission des QD diminue graduellement à cause de l'échappement thermique accru. En contraste remarquable, nos échantillons pour 1550 nm présentent des comportements d'émission température-dépendants complètement opposés, indiquant une dynamique de porteurs distinguée dans ce nouveau système QD. Comme dépeint figure 2e, la bande interdite des QD est bien plus étroite que celle des CL et les niveaux d'énergie les plus bas pour électrons et trous se trouvent tous dans la structure QD ; on s'attendrait donc que les porteurs photo-générés résident préférentiellement dans les QD après relaxation de leurs énergies excédentaires. Cependant, le résultat PL observé montre que l'émission des CL domine et l'émission des QD est invisible en dessous de 250 K, révélant que les porteurs photo-générés sont principalement confinés dans les CL plutôt que dans les QD aux basses températures. Ce fait s'explique par des effets de blocage sévères de la relaxation des porteurs : trop peu de phonons participent au processus de diffusion des porteurs, résultant en une faible efficacité de relaxation depuis les CL vers les QD. Avec l'augmentation de température, plus de populations de phonons sont excitées thermiquement et l'interaction phonons-porteurs s'intensifie graduellement, conduisant à plus de porteurs diffusés des CL vers les QD. L'intensité PL la plus forte de l'émission QD à 1550 nm apparaissant à RT indique que le processus de relaxation d'énergie des porteurs depuis les CL vers les QD domine le processus d'échappement thermique depuis les QD vers les CL.

Les caractérisations PL des échantillons 1 et 2 révèlent que, dans le système QD InAs/GaAs conçu pour 1550 nm, une caractéristique de relaxation des porteurs inefficace existe et une plus grande densité de phonons favorise la relaxation vers les QD. Fondamentalement, le faible processus de relaxation est enraciné dans les structures de bandes électroniques déterminées par la CL. Les matériaux QD dont les décalages de bande sont bien plus grands que les énergies des phonons optiques longitudinaux (LO) des CL exigent que les porteurs dans les CL relaxent vers les niveaux QD via émission de phonons multiples plutôt qu'un seul. Ce faible processus de relaxation ne peut être éliminé dans les QD InAs/GaAs pour 1550 nm à cause du décalage de bande bien plus grand dans la structure de bandes CL-QD, mais on peut modifier le processus de diffusion multi-phonons en ajustant les structures de bandes électroniques et phononiques. Pour améliorer la relaxation des porteurs dans les QD 1550 nm, nous avons employé une structure SSL (In_0,20Ga_0,80As/In_0,30Ga_0,70As)₅ comme CL pour remplacer les CL InGaAs. Les CL SSL devraient fournir plus de modes vibratoires phononiques et densités de phonons bien plus grandes grâce aux effets de repliement de zone de Brillouin dans les SSL. Comme montré figure 1c, l'échantillon 3 a été cultivé avec la même structure que l'échantillon 2 sauf l'utilisation de cinq périodes de SSL In_0,20Ga_0,80As/In_0,30Ga_0,70As de 10 nm d'épaisseur comme CL. La figure 2d montre les motifs XRD obtenus pour les échantillons 1, 2, 3. Tous présentent un pic fort à 66,1°, attribué à la diffraction des plans (008) du GaAs cubique. Des pics satellites clairs résultant de la structure CL In_0,33Ga_0,67As de 6 nm sont observés vers 64,0° pour échantillons 1 et 2. L'inspection révèle que le SSL In_0,20Ga_0,80As/In_0,30Ga_0,70As de l'échantillon 3 présente un pic satellite vers 64,4°, le décalage vers des angles plus grands suggérant une diminution de la teneur moyenne en In. Pour comprendre l'effet des CL SSL sur les propriétés optiques des QD InAs/GaAs, les spectres PL température-dépendants de l'échantillon 3 ont aussi été mesurés (fig. 2c). Similairement aux échantillons 1 et 2, aucune émission PL évidente à 1550 nm des QD InAs/GaAs n'est observable en dessous de 200 K et l'émission s'intensifie graduellement avec les températures plus élevées. Notablement, le pic d'émission QD à 1550 nm de l'échantillon 3 émerge à une température bien plus basse de 200 K (vers 250 K pour échantillons 1 et 2). Son intensité relative par rapport à l'émission CL à RT est bien plus élevée que pour échantillons 1 et 2, et son intensité PL est ~10 fois plus forte que l'échantillon 2. Ces résultats indiquent que les CL SSL boostent grandement la relaxation des porteurs depuis les CL vers les QD, résultant en une recombinaison radiative bien améliorée dans les QD. La raison de cette relaxation améliorée réside dans les CL SSL de haute qualité à teneur en In diminuée, qui module efficacement les comportements de relaxation des porteurs et améliore leur capture par les QDs.

Pour approfondir le processus de diffusion des porteurs multi-phonons, les structures de bandes du système QD InAs/GaAs avec différents types de CL sont comparées. Pour simplifier, la différence d'énergie entre les bandes interdites CL et QD peut être estimée comme la différence de leurs énergies de pics PL. Comme montré figures 2e et f, les différences de bande interdite dans échantillons 2 et 3 entre CL et QD InAs à 300 K sont déterminées à 143 et 114 meV respectivement, selon les mesures PL. En supposant que les décalages de bande sont ~60 % des différences énergétiques entre bandes de conduction des CL et QD, les électrons doivent relaxer 86 et 68 meV pour échantillons 2 et 3 respectivement pour être diffusés depuis les niveaux d'énergie des CL vers les niveaux d'énergie les plus bas des QD InAs. Les énergies des phonons LO et acoustiques longitudinaux (LA) dans les alliages InGaAs sont 34 et 9 meV. Pour le processus de diffusion multi-phonons, la combinaison de 2 phonons LO dans l'échantillon 3 suffit pour la diffusion d'un électron depuis les CL vers les QD, alors que 2 phonons LO plus 1 LO ou 2 LA sont requis pour l'échantillon 2. Il a été démontré que le taux de relaxation électronique est sévèrement réduit quand plus de modes phononiques sont impliqués dans un processus de diffusion multi-phonons. Donc, le taux de relaxation électronique dans l'échantillon 3 est plus grand que dans l'échantillon 2, expliquant l'intensité PL bien améliorée des QD dans l'échantillon 3. En réalité, la teneur en In diminuée dans les CL SSL et l'effet de goulot phononique affaibli dans le processus de relaxation des porteurs sont les raisons principales de l'intensité PL améliorée des QD dans l'échantillon 3.

Pour vérifier davantage l'effet de relaxation améliorée causé par les CL SSL, des spectres PL puissance-dépendants ont été acquis à 300 K. Comme montré figures 3a, b, c, l'intensité PL des pics CL (Pic 1) et QD InAs (Pic 2) augmente graduellement avec la puissance d'excitation, sans décalage évident des positions des pics. Il est clairement observé que l'intensité du Pic 1 est bien plus forte que celle du Pic 2 dans échantillons 1 et 2 (fig. 3a, b) aux puissances d'excitation élevées, tandis que l'échantillon 3 exhibe une émission QD bien plus forte sur toute la gamme de puissance mesurée. Les rapports d'intensité PL Pic 2/Pic 1 en fonction de la puissance d'excitation sont résumés figure 3d. À 2000 mW, les rapports sont 0,21 et 0,29 pour échantillons 1 et 2, indiquant que beaucoup de porteurs recombinaison dans la CL InGaAs et la relaxation depuis la CL vers les QD InAs est sévèrement entravée. Comparé à l'échantillon 1, le rapport d'intensité Pic 2/Pic 1 dans l'échantillon 2 peut s'attribuer à la densité de points plus élevée due à plus de centres de nucléation causés par la BL In_0,18Ga_0,82As. L'intensité du Pic 2 dans l'échantillon 3 est ~2,1 fois plus forte que le Pic 1 à 2000 mW, indiquant une efficacité de relaxation des porteurs bien améliorée dans les QD InAs couverts SSL. De plus, bien que la teneur moyenne en In dans la CL SSL soit ~25 % (vs 33 % dans CL échantillons 1 et 2), la longueur d'onde d'émission du Pic 1 (~1337 nm) dans l'échantillon 3 est légèrement plus longue que celle (~1310 nm) pour échantillons 1 et 2. La raison principale est l'effet de confinement quantique réduit dans la couche SSL bien plus épaisse (10 nm) comparée à la CL InGaAs de 6 nm.

Basé sur les bonnes propriétés optiques des QD InAs/GaAs couverts SSL, nous démontrons leur application comme SESAM QD pour génération d'impulsions femtosecondes. Le SESAM QD InAs/GaAs 1550 nm SSL consiste en une couche de QD InAs/GaAs couverts SSL comme couche d'absorption et un miroir DBR inférieur de 31 périodes GaAs non dopé (115 nm) / Al_0,98Ga_0,02As (134 nm). La structure détaillée du SESAM QD est illustrée par l'image MET en coupe figure 4. La densité moyenne de points des QD dans la couche d'absorption est estimée à 4,4 × 10¹⁰ cm⁻², hauteur moyenne 7,5 nm et taille latérale 40 nm (image AFM fig. 4). Le SESAM est caractérisé par un montage détecteur jumeau équilibré typique, atteignant une intensité de saturation de 13,7 MW/cm² et une profondeur de modulation non-linéaire de 1,6 %. Comme dépeint figure 4, avec le SESAM QD inséré dans la cavité laser à fibre Er, nous avons construit un laser verrouillé en mode passif. Avec une fibre monomode standard de 23,75 m et une fibre Er dopée (EDF) de 0,75 m comme milieu de gain, la cavité fait 24,5 m de long. Une diode laser DFB à 980 nm sert de source de pompe, et un multiplexeur en longueur d'onde (WDM) 980/1550 nm couple l'énergie de pompe dans la cavité. Un isolateur indépendant de polarisation (PI-ISO) et un contrôleur de polarisation (PC) assurent la transmission unidirectionnelle et optimisent l'état de verrouillage de mode. Le port 1 d'un circulateur optique 1550 nm (CIR) est connecté au PC, port 2 au SESAM QD, port 3 au coupleur de sortie 10/90 (OC) (10 % sortie, 90 % entrée).

Le verrouillage de mode est atteint quand la puissance de pompe dépasse 50 mW. Figure 5a : la puissance de sortie augmente linéairement avec la puissance de pompe, rendement de pente ~4,82 %. Figure 5b : spectre typique de soliton conventionnel avec bande passante 3 dB de 3,2 nm, longueur d'onde centrale 1556 nm. Figure 5c : spectre RF avec taux de répétition 8,16 MHz (longueur cavité 24,5 m), rapport signal/bruit ~51 dB, indiquant un grand potentiel pour fonctionnement stable. Des mesures de verrouillage de mode longue durée au seuil de pompe 50 mW ont montré plus d'une semaine de fonctionnement continu stable. Figure 5d : trace d'autocorrélation ajustée par profil gaussien, durée d'impulsion réelle ~920 fs. Pour comparaison, avec le SESAM QD basé sur la structure échantillon 2 (intensité saturation 15,7 MW/cm², profondeur modulation 0,4 %), le laser génère des impulsions de 2,7 ps. La durée d'impulsion bien réduite avec le SESAM QD à CL SSL s'explique par l'augmentation de la profondeur de modulation, et nous pensons que l'efficacité de relaxation des porteurs améliorée induite par les CL SSL explique la diminution de l'intensité de saturation. De plus, cinq autres SESAM QD couverts SSL ont été sélectionnés pour construire des lasers à fibre verrouillés en mode, et tous ont exhibé une stabilité à long terme, démontrant la haute reproductibilité et fiabilité des SESAM.

Conclusions

En conclusion, des QD InAs/GaAs pour applications 1550 nm ont été cultivés par MBE avec couches de couverture en alliage InGaAs et SSL respectivement. Les caractérisations PL température-dépendante et puissance-dépendante révèlent que le décalage de bande de conduction CL-QD est modifié de 86 meV à 68 meV en changeant la CL In_0,33Ga_0,67As en SSL (In_0,20Ga_0,80As/In_0,30Ga_0,70As)₅, permettant une diffusion de porteurs multi-phonons plus efficace, conduisant à plus de porteurs recombinaison radiative dans la structure QD et une émission 1550 nm significativement améliorée. Le SESAM QD cultivé avec les QD InAs/GaAs couverts SSL exhibe une intensité de saturation de 13,7 MW/cm² et une profondeur de modulation non-linéaire de 1,6 %, et une durée d'impulsion de 920 fs est atteinte dans un laser à fibre verrouillé en mode à 1556 nm construit avec ce SESAM QD. Le SESAM QD développé avec design SSL comme CL pour QD ouvrira une nouvelle voie vers les lasers ultrarapides haute performance.

Disponibilité des données et matériaux

Les ensembles de données générés et/ou analysés durant cette étude sont pleinement disponibles sans restriction auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Abréviations

2D :

Bidimensionnel

AFM :

Microscopie à force atomique

BL :

Couche tampon

CIR :

Circulateur

CLs :

Couches de couverture

DBR :

Réflecteur de Bragg distribué

EDF :

Fibre dopée Er

LA :

Acoustique longitudinale

LD :

Diode laser

LO :

Optique longitudinale

MBE :

Épitaxie par jets moléculaires

MLs :

Monocouches

OC :

Coupleur de sortie

PC :

Contrôleur de polarisation

PI-ISO :

Isolateur indépendant de polarisation

PL :

Photoluminescence

QDs :

Points quantiques

QW :

Puits quantique

RT :

Température ambiante

SA :

Absorbant saturable

SESAMs :

Miroirs absorbants saturables semi-conducteurs

SSL :

Super-réseau à courte période

TEM :

Microscopie électronique en transmission

WDM :

Multiplexeur en longueur d'onde