Hochleistungs-1550-nm InAs/GaAs Quantenpunkt-SESAM mit Kurzperioden-Supergitter-Kappe für Femtosekunden-Faserlaser

Zusammenfassung

Niedrigdimensionale III-V InAs/GaAs Quantenpunkte (QDs) wurden erfolgreich in Halbleiter-Sättigungsabsorber-Spiegeln (SESAMs) im Wellenlängenbereich 900–1310 nm für ultrakurzpulsige Laseranwendungen eingesetzt, profitierend von ihrer breiten Bandbreite, Wellenlängenflexibilität und niedriger Sättigungsfluenz. Es ist jedoch sehr herausfordernd, einen hochleistungsfähigen QD-SESAM im längeren Wellenlängenbereich um 1550 nm zu erhalten, aufgrund der großen Hürden beim epitaktischen Wachstum der QD-Strukturen. In dieser Arbeit wird erstmals enthüllt, dass im für 1550-nm-Lichtemission konzipierten InAs/GaAs QD-System der sehr schwache Trägerrelaxationsprozess von den Kappenschichten (CLs) zu den QDs hauptsächlich für die schlechte Emissionsleistung verantwortlich ist. Basierend darauf haben wir ein kurzperiodiges Supergitter (In_0,20Ga_0,80As/In_0,30Ga_0,70As)₅ als CL für die QDs entwickelt und eine ~10-mal stärkere Emission bei 1550 nm im Vergleich zur konventionellen InGaAs-KL realisiert. Basierend auf der entwickelten QD-Struktur wurden hochleistungsfähige QD-SESAMs erfolgreich realisiert, die eine sehr kleine Sättigungsintensität von 13,7 MW/cm² und eine große nichtlineare Modulationstiefe von 1,6 % gleichzeitig aufweisen, was den Bau eines 1550-nm Femtosekunden-Mode-locked Faserlasers mit hervorragender langfristiger Arbeitsstabilität ermöglicht.

Einleitung

1550-nm mode-locked Femtosekunden-Pulslaser haben breite Anwendungen in optischer Kommunikation, Ultrakurzoptik und nichtlinearer Optik aufgrund ihrer hohen Spitzenleistung, geringem thermischem Effekt und hoher Pulselnergie. Der Sättigungsabsorber (SA) mit breiter optischer Bandbreite, schneller Reaktionszeit und geringen Verlusten ist die kritische optische Komponente für solche ultrakurzen Pulslaser. Zudem ist eine hohe Beschädigungsschwelle des SA für den langfristig stabilen Betrieb eines mode-locked Lasers hoch erwünscht. Kürzlich haben zweidimensionale (2D) Materialien wie Graphen, topologische Isolatoren, schwarzer Phosphor und Übergangsmetall-Dichalkogenide viel Aufmerksamkeit für ihre Anwendung als SAs für mode-locked Femtosekunden-Pulslaser auf sich gezogen. Allerdings haben ihre niedrige Beschädigungsschwelle und schlechte Arbeitsstabilität ihre breite Anwendung stark behindert. Quantenfilm (QW)-basierte SESAMs gelten als kommerzielle Kandidaten für mode-locked Ultrakurzlaser aufgrund ihrer hohen Reproduzierbarkeit und hervorragenden Betriebsstabilität, aber die schmale Betriebsbandbreite und kleine Modulationstiefe sind nach wie vor große Hürden für die Realisierung von Femtosekunden-Ultrakurzpulsen.

Kürzlich haben sich selbstorganisierte InAs-Quantenpunkte (QDs), die im Stranski-Krastanow-Modus gewachsen sind, aufgrund ihrer breiten Betriebsbandbreite und schneller Träger-Erholungszeit als ausgezeichnete Wahl für SESAMs zum Aufbau mode-locked Pulslaser herausgestellt. Um die Arbeitswellenlänge um 1550 nm zu erreichen, werden üblicherweise InP-basierte InGaAsP-QWs eingesetzt. Die Bandlücken von GaAs-basierten InGaAs-QDs können generell den Spektralbereich von 980 bis 1310 nm abdecken; eine längere Wellenlänge jenseits von 1310 nm erfordert jedoch viel höheren Indiumgehalt in den QD-Kappenschichten (CLs). Quaternäre InGaAsSb (InGaNAs) Legierungen und sehr hoher In-Gehalt (> 30 %) InGaAs-CLs wurden eingesetzt, um die QD-Bandlücke in Richtung der langen Wellenlänge von 1550 nm zu gestalten. Die quaternären Legierungs-CLs verkomplizieren den epitaktischen Wachstumsprozess erheblich, und der hohe In-Gehalt in InGaAs-CLs verschlechtert die kristalline und optische Qualität der QDs, was mehr nicht-strahlende Rekombinationszentren einführt. Die 1550-nm-Emission wurde mit InAs/GaAs-QDs auf metamorphen Substraten erzielt, aber schlechte Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit bleiben schwere Probleme dieser Technik. In unserer vorherigen Arbeit wurden asymmetrische InAs/GaAs-QDs für 1550 nm gefertigt, mit denen ein mode-locked Er-dotierter Glasoszillator mit 2 ps Pulsbreite realisiert wurde. Kürzlich wurde ein 1550-nm QD-SESAM mit InGaAs-gekapselten InAs/GaAs-Strukturen gefertigt, mit dem ein dual-wavelength passiv Q-geschalteter Er-dotierter Faserlaser (EDF) realisiert wurde. Die Leistungen der erzielten Laser waren jedoch aufgrund der kleinen Modulationstiefe von 0,4 % dieser QD-SESAMs begrenzt. Daher ist es sehr wünschenswert, neue Techniken zu erforschen, um die 1550-nm InAs/GaAs-QD-Strukturen zur Verbesserung der Modulationstiefe solcher QD-SESAMs zu optimieren.

In dieser Arbeit haben wir verschiedene InAs/GaAs-QD-Strukturen für SESAMs im 1550-nm-Bereich gezüchtet, mit InGaAs-Legierungs-CLs und InGaAs-kurzperiodigen Supergitter (SSL)-CLs, und ihre optischen Eigenschaften gründlich untersucht. Photolumineszenz (PL)-Spektroskopie-Charakterisierung zeigt sehr schwache Lichtemission bei Raumtemperatur (RT) bei der Wellenlänge um 1550 nm, die bei Temperaturen unter 250 K nicht beobachtet werden kann. Dieses Phänomen steht im bemerkenswerten Kontrast zum bekannten temperaturabhängigen Verhalten von QD-Systemen: Die PL-Intensität ist bei niedrigeren Temperaturen stärker, wird bei RT aufgrund thermischer Anregung der in QDs eingeschlossenen Träger sehr schwach oder sogar nicht beobachtbar. Die abnormalen Phänomene in den 1550-nm InAs/GaAs-QDs können auf den schwachen Trägerrelaxationsprozess von CL zu QDs zurückgeführt werden, der durch das Wachsen einer SSL-CL für die QDs signifikant reduziert werden kann. Die SSL-Strukturen bieten reichlich Phononenmodi mit großen vibrationsbedingten Zustandsdichten, die die Trägerrelaxation von den CLs zu den QDs effektiv verstärken. Daher wird eine 10-mal stärkere 1550-nm-Emission als bei nicht-SSL-gekapselten QDs beobachtet. Die überlegenen Trägerdynamiken in den 1550-nm-QDs verleihen den QD-SESAMs hochsättigende Absorptionseigenschaften, manifestiert als sehr kleine Sättigungsintensität von 13,7 MW/cm² und größere nichtlineare Modulationstiefe von 1,6 %, was dem 4-fachen des in [24, 35] berichteten Werts entspricht. Profitierend von der hohen Leistung des QD-SESAM mit SSL-CLs haben wir erfolgreich einen EDF-Laser gebaut und stabiles mode-locked Lasern bei 1556 nm mit einer Pulsdauer von 920 fs erreicht.

Methoden

MBE-Wachstum der InAs/GaAs-QDs

Drei InAs/GaAs-QD-Strukturen wurden mit der Molekularstrahlepitaxie (MBE) gezüchtet. Alle Proben enthalten drei Perioden von Punktschichten, die jeweils aus 2,9 Monolagen (MLs) InAs selbstorganisiert sind. Wie in Abb. 1 gezeigt, wurden in Proben 1 und 2 die InAs-QDs auf GaAs bzw. einer 1-nm In_0,18Ga_0,82As-Pufferschicht (BL) gezüchtet und alle mit einer 6-nm-dicken In_0,33Ga_0,67As-Schicht gekappt. Für Probe 3 wurden die 2,9 MLs InAs-QDs ebenfalls auf einer 1-nm-dicken In_0,18Ga_0,82As-BL gezüchtet, aber mit einer 10-nm-dicken SSL gekappt, die aus 5 Perioden von In_0,20Ga_0,80As (1 nm) und In_0,30Ga_0,70As (1 nm) Schichten besteht. Die Wachstumstemperatur und Wachstumsrate der InAs-QDs betrugen 510 °C bzw. 0,01 ML/s. Die QD-SESAMs wurden durch Wachstum einer Punktschichtenstruktur auf einem unteren Distributed Bragg Reflector (DBR) gefertigt, der 31 Paare ungedoteter GaAs (115 nm) und Al_0,98Ga_0,02As (134 nm) Schichten enthält. Die Wachstumstemperaturen für GaAs und InGaAs betrugen 565 °C bzw. 530 °C.

Charakterisierungsmethoden

PL-Messungen wurden im Temperaturbereich von 11 bis 300 K mit einem 532-nm-Festkörperlaser durchgeführt. Die Kristallographiestrukturen dieser QD-Proben wurden mit hochauflösender Röntgenbeugung unter Verwendung der Cu-Kα-Emissionslinie charakterisiert. Die Morphologien der QD-Strukturen wurden mit der Rasterkraftmikroskopie (AFM) in Umgebungsbedingungen im Nichtkontaktmodus an einem Nanoscope Dimension^TM 3100 SPM AFM-System untersucht. Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM)-Bilder wurden an einem 200 KeV JEOL-2010 Mikroskop aufgenommen.

Ergebnisse und Diskussion

Abb. 2a, b und c zeigen die temperaturabhängigen PL-Spektren von Proben 1, 2 und 3, aufgenommen bei Temperaturen von 11 bis 300 K mit einer Anregungsleistung von 200 mW. Es zeigen sich zwei charakteristische PL-Peaks: ein schmaler Peak im kurzwelligen Bereich und ein breiter im langwelligen Bereich. Der schmale Peak bei ~1170 nm bei 11 K und ~1280 nm bei 300 K stammt von der Lumineszenz der CLs, während der breite Peak bei ~1550 nm bei 300 nm der QD-Emission zugeschrieben wird. Wie in Abb. 2a gezeigt, kann bei niedrigeren Temperaturen nur die CL-Emission beobachtet werden, und die Emission um 1550 nm von den InAs-QDs tritt erst auf, wenn die Temperatur auf 250 K ansteigt und wird mit weiterer Temperaturerhöhung allmählich stärker. Ein ähnliches Verhalten wird bei Probe 2 beobachtet (Abb. 2b). Im Allgemeinen dominiert bei InAs/GaAs-QD-Strukturen für kürzere Wellenlängenemission (z. B. 1300 nm) die QD-Emission die PL-Spektren bei niedrigen Temperaturen, und die Emission von CLs oder Benetzungsschichten ist kaum beobachtbar. Dies liegt an den niedrigeren Energieniveaus der QD-Strukturen und der verringerten thermischen Flucht von Trägern aus den QDs bei niedrigen Temperaturen. Mit steigender Temperatur nimmt die Emissionsintensität der QDs allmählich ab aufgrund verstärkter thermischer Flucht der Träger aus den QDs. Im bemerkenswerten Kontrast zu den für 1310-nm-Anwendungen konzipierten InAs/GaAs-QDs zeigen unsere Proben für 1550 nm völlig entgegengesetzte temperaturabhängige Lichtemissionsverhalten, was auf unterschiedliche Trägerdynamiken in diesem neuen QD-System hinweist. Wie in Abb. 2e dargestellt, ist die Bandlücke der QDs viel schmaler als die der CLs, und die niedrigsten Energieniveaus für Elektronen und Löcher liegen alle in der QD-Struktur; daher wird erwartet, dass photogenerierte Träger nach Abgabe ihrer überschüssigen Energie bevorzugt in den QDs verbleiben. Das beobachtete PL-Ergebnis zeigt jedoch, dass die CL-Emission das PL dominiert und die QD-Emission bei Temperaturen unter 250 K unsichtbar ist, was offenbart, dass bei niedrigen Temperaturen die photogenerierten Träger dominierend in den CLs eingeschlossen sind statt in den QDs. Dies kann durch schwere Trägerrelaxations-Blockeffekte erklärt werden: Es nehmen zu wenige Phononen am Trägerstreuprozess teil, was zu geringer Relaxationseffizienz der Träger von den CLs zu den QDs führt. Mit steigender Temperatur werden mehr Phononenpopulationen thermisch angeregt und die Wechselwirkung von Phononen mit photogenerierten Trägern wird allmählich verstärkt, was zu mehr Trägern führt, die von CLs zu den QDs gestreut werden. Die stärkste PL-Intensität der QD-Emission bei 1550 nm, die bei RT auftritt, zeigt an, dass der Energie-Relaxationsprozess der Träger von CLs zu QDs den thermischen Fluchtprozess von QDs zu CLs dominiert.

Die PL-Charakterisierungen der Proben 1 und 2 zeigen, dass im für 1550-nm-Anwendungen konzipierten InAs/GaAs-QD-System eine ineffiziente Trägerrelaxationseigenschaft existiert und größere Phononendichte die Trägerrelaxation hin zu den QDs begünstigt. Im Wesentlichen ist der schwache Trägerrelaxationsprozess in den elektronischen Bandstrukturen verwurzelt, die durch die CL bestimmt werden. Die QD-Materialien, bei denen ihre Bandversätze viel größer sind als die longitudinal-optischen (LO) Phononenenergien der CLs, erfordern, dass die Träger in den CLs zu den QD-Niveaus über Emission mehrerer Phononen relaxieren statt nur eines einzelnen. Der schwache Trägerrelaxationsprozess kann in den InAs/GaAs-QDs für 1550 nm nicht eliminiert werden, wegen des viel größeren Bandversatzes in der CL- und QD-Bandstruktur, aber wir können den Mehr-Phononen-Streuprozess durch Anpassung der elektronischen Bandstrukturen sowie der Phononenbandstrukturen modifizieren. Um dieses Ziel zur Verbesserung der Trägerrelaxation in den 1550-nm-QDs zu erreichen, haben wir eine (In_0,20Ga_0,80As/In_0,30Ga_0,70As)₅ SSL-Struktur als CLs eingesetzt, um die InGaAs-CLs zu ersetzen. Die SSL-CLs sollen mehr Phononenvibrationsmodi und viel größere Phononendichten aufgrund der Brillouin-Zonen-Faltungseffekte in SSL bieten. Wie in Abb. 1c gezeigt, wurde Probe 3 mit derselben Struktur wie Probe 2 gezüchtet, außer der Verwendung von fünf Perioden 10-nm-dicker In_0,20Ga_0,80As/In_0,30Ga_0,70As SSLs als CLs. Abbildung 2d zeigt die erhaltenen XRD-Muster für Proben 1, 2 und 3. Alle Proben zeigen einen starken Peak bei 66,1°, der der Beugung von den (008)-Ebenen des kubischen GaAs zugeordnet werden kann. Klare Satellitenpeaks, resultierend aus der 6-nm-dicken In_0,33Ga_0,67As-CL-Struktur, werden bei ~64,0° für Proben 1 und 2 beobachtet. Weitere Untersuchung zeigt, dass die In_0,20Ga_0,80As/In_0,30Ga_0,70As SSL in Probe 3 einen Satellitenpeak bei ~64,4° aufweist, und die Verschiebung zu größeren Winkeln im Vergleich zu den In_0,33Ga_0,67As-CLs deutet auf eine Verringerung des durchschnittlichen In-Gehalts hin. Um den Effekt der SSL-CLs auf die optischen Eigenschaften der InAs/GaAs-QDs zu verstehen, wurden auch temperaturabhängige PL-Spektren für Probe 3 gemessen (Abb. 2c). Ähnlich wie Proben 1 und 2 kann keine offensichtliche PL-Emission bei 1550 nm von den InAs/GaAs-QDs bei Temperaturen unter 200 K beobachtet werden, und die Emission wird mit steigenden Temperaturen allmählich intensiver. Bemerkenswert ist, dass der QD-Emissionspeak bei 1550 nm in Probe 3 bei einer viel niedrigeren Temperatur von 200 K (ca. 250 K für Proben 1 und 2) auftaucht. Seine relative Intensität bezüglich der CL-Emission bei RT ist viel höher als bei Proben 1 und 2, und seine PL-Intensität ist etwa 10-mal stärker als bei Probe 2. Diese Ergebnisse zeigen, dass die SSL-CLs die Trägerrelaxation von den CLs hin zu den QDs stark verstärken, was zu stark verbesserter strahlender Rekombination in den QDs führt. Der Grund für die verbesserte Trägerrelaxation von den CLs zu den QDs liegt in den hochwertigen SSL-CLs mit verringertem Indiumgehalt. Dies moduliert die Trägerrelaxationsverhalten effektiv und verbessert die Erfassung von Trägern durch die QDs.

Um weitere Einblicke in den mehr-Phononen-vermittelten Trägerstreuprozess zu gewinnen, werden die Bandstrukturen des InAs/GaAs-QD-Systems mit verschiedenen CL-Typen verglichen. Zur Vereinfachung kann der Energieunterschied zwischen CL- und QD-Bandlücken als Differenz ihrer PL-Peak-Energien geschätzt werden. Wie in Abb. 2e und f gezeigt, betragen die Bandlückenunterschiede in Probe 2 und 3 zwischen der CL und den InAs-QDs bei 300 K gemäß PL-Messungen 143 meV bzw. 114 meV. Unter der Annahme, dass die Bandversätze etwa 60 % der energetischen Differenzen zwischen den Leitungsbändern von CL und QDs betragen, müssen Elektronen 86 meV und 68 meV für Probe 2 bzw. Probe 3 relaxieren, um von den Energieniveaus der Kappenschichten zu den niedrigsten Energieniveaus der InAs-QDs gestreut zu werden. Die Phononenenergien der LO- und longitudinal-akustischen (LA) Moden in den InGaAs-Legierungen betragen 34 meV bzw. 9 meV. Für den Mehr-Phononen-Streuprozess kann die Kombination von 2 LO-Phononen in Probe 3 die Streuung eines Elektrons von den CLs zu den QDs erfüllen, während für Probe 2 2 LO-Phononen plus 1 LO- oder 2 LA-Phononen erforderlich sind. Es wurde demonstriert, dass die Elektronenrelaxationsrate stark reduziert wird, wenn mehr Phononenmodi in einen Mehr-Phononen-Streuprozess involviert sind. Daher ist die Elektronenrelaxationsrate in Probe 3 größer als in Probe 2, was die stark verbesserte PL-Intensität der QDs in Probe 3 erklärt. Tatsächlich sind der verringerte In-Gehalt in den SSL-CLs und der abgeschwächte Phononen-Flaschenhals-Effekt im Trägerrelaxationsprozess die Hauptgründe für die verbesserte PL-Intensität der QDs in Probe 3.

Um den verbesserten Trägerrelaxationseffekt durch die SSL-CLs weiter zu verifizieren, wurden anregungsleistungsabhängige PL-Spektren bei 300 K aufgenommen. Wie in Abb. 3a, b, c gezeigt, nimmt die PL-Intensität der CL (Peak 1) und der InAs-QD (Peak 2) Peaks allmählich mit steigender Anregungsleistung zu, und keine offensichtliche Verschiebung der Peak-Positionen ist beobachtbar. Deutlich ist, dass die Intensität von Peak 1 viel stärker ist als die von Peak 2 in Proben 1 und 2 (Abb. 3a, b) bei höherer Anregungsleistung, während Probe 3 in allen gemessenen Anregungsleistungsbereichen eine viel stärkere QD-Emission aufweist. Die PL-Intensitätsverhältnisse von Peak 2 und Peak 1 dieser Proben als Funktion der Anregungsleistung sind in Abb. 3d zusammengefasst. Bei einer Anregungsleistung von 2000 mW betragen die PL-Intensitätsverhältnisse von Peak 2 zu Peak 1 0,21 und 0,29 für Probe 1 bzw. 2 (Abb. 3d). Dies deutet darauf hin, dass viele Träger in der InGaAs-CL rekombinieren und die Trägerrelaxation von der Kappenschicht zu den InAs-QDs aufgrund der ineffizienten Trägerrelaxationsrate stark behindert ist. Im Vergleich zu Probe 1 kann das Schichtintensitätsverhältnis von Peak 2 zu Peak 1 in Probe 2 auf die höhere Punktdichte zurückgeführt werden, die durch mehr Nukleationszentren verursacht wird, die durch die In_0,18Ga_0,82As-Pufferschicht entstehen. Die Intensität von Peak 2 in Probe 3 ist bei 2000 mW Anregungsleistung etwa 2,1-mal stärker als die von Peak 1, was eine stark verbesserte Trägerrelaxationseffizienz in den SSL-gekapselten InAs-QDs anzeigt. Zusätzlich wird festgestellt, dass obwohl der durchschnittliche In-Gehalt in der SSL-Kappenschicht bei ~25 % liegt, was kleiner ist als 33 % in den CLs der Proben 1 und 2, die Emissionswellenlänge von Peak 1 (~1337 nm) in Probe 3 leicht länger ist als die (~1310 nm) für Proben 1 und 2. Wir glauben, dass der Hauptgrund dafür der reduzierte Quantenkonfinement-Effekt in der viel dickeren (10 nm) SSL-Schicht im Vergleich zur 6-nm InGaAs-Kappenschicht ist.

Basierend auf den guten optischen Eigenschaften der SSL-gekapselten InAs/GaAs-QDs demonstrieren wir deren Anwendung als QD-SESAM für Femtosekunden-Pulserzeugung. Der 1550-nm SSL-gekapselte InAs/GaAs-QD-SESAM besteht aus einer Schicht SSL-gekapselter InAs/GaAs-QDs als Absorptionsschicht und einem unteren DBR-Spiegel aus 31 Perioden ungedotetem GaAs (115 nm) und Al_0,98Ga_0,02As (134 nm) Schichten. Die detaillierte Struktur des QD-SESAM wird durch das Querschnitts-TEM-Bild in Abb. 4 veranschaulicht. Die durchschnittliche Punktdichte der QDs in der Absorptionsschicht wird auf 4,4 × 10¹⁰ cm⁻² geschätzt, und die durchschnittliche Höhe und laterale Größe des Punkts betragen 7,5 nm bzw. 40 nm, wie im AFM-Bild in Abb. 4 zu sehen. Der SESAM wird mit einem typischen balancierten Twin-Detektor-Aufbau charakterisiert, und eine Sättigungsintensität von 13,7 MW/cm² und eine nichtlineare Modulationstiefe von 1,6 % werden erreicht. Wie in Abb. 4 dargestellt, haben wir mit dem QD-SESAM in der EDF-Laserkavität einen passiv mode-locked Laser konstruiert. Mit einem Standard-23,75-m-Einmodenfaser und einem 0,75-m EDF als Verstärkungsmedium beträgt die Kavitätslänge 24,5 m. Eine Halbleiter-DFB-Laserdiode (LD), die bei 980 nm emittiert, dient als Pumpenquelle, und ein 980/1550-nm Wellenlängenteilungs-Multiplexer (WDM) wird verwendet, um die Pumpenenergie in die Faserlaserkavität einzukoppeln. Ein polarisationsunabhängiger Isolator (PI-ISO) und ein Polarisationscontroller (PC) werden verwendet, um Einweg-Transmission des Lichts und Optimierung des Mode-Locking-Zustands in der Kavität zu gewährleisten. Port 1 eines 1550-nm-Optischen Zirkulators (CIR) ist mit dem PC verbunden, Port 2 mit dem QD-SESAM, und Port 3 dieses CIR mit dem 10/90-Ausgangskoppler (OC) (10 % Ausgabe, 90 % Eingang).

Das Mode-Locking-Verhalten kann erreicht werden, wenn die Pumpenleistung höher als 50 mW ist. Wie in Abb. 5a gezeigt, steigt die Ausgangsleistung dieses mode-locked Lasers linear mit steigender Pumpenleistung, und die Steigungseffizienz beträgt ca. 4,82 %, bestimmt durch lineare Anpassung. Wie in Abb. 5b dargestellt, wurde das typische Spektrum eines konventionellen Solitons mit einer 3-dB-Bandbreite von 3,2 nm beobachtet. Die Zentrale Wellenlänge beträgt 1556 nm. Das RF-Spektrum mit einer Wiederholungsrate von 8,16 MHz ist in Abb. 5c gezeigt, entsprechend der Kavitätslänge von 24,5 m. Das Signal-Rausch-Verhältnis beträgt ca. 51 dB, was das große Potenzial für stabilen Mode-Locking-Betrieb mit den SSL-Kappungs-QD-SESAMs anzeigt. Langzeit-stabile Mode-Locking-Messungen wurden bei der Schwellen-Pumpenleistung von 50 mW durchgeführt, und über 1 Woche stabiler kontinuierlicher Betrieb wurde erreicht. Abb. 5d zeigt die Autokorrelationsspur, angepasst an ein Gauß-Profil, die die tatsächliche Pulsdauer von ca. 920 fs veranschaulicht. Zum Vergleich erzeugt der mode-locked Laser mit dem QD-SESAM basierend auf der Struktur wie in Probe 2 (Sättigungsintensität 15,7 MW/cm², nichtlineare Modulationstiefe 0,4 %) Pulse von 2,7 ps Breite. Die stark reduzierte Pulsdauer mit dem QD-SESAM basierend auf SSL-gekapselten QDs kann auf die erhöhte Modulationstiefe zurückgeführt werden, und wir glauben, dass die verbesserte Trägerrelaxationseffizienz durch SSL-Kappungsschichten die verringerte Sättigungsintensität erklärt. Zudem wurden fünf weitere SSL-gekapselte QD-SESAMs ausgewählt, um mode-locked Faserlaser zu bauen, und alle mode-locked Laser zeigten langfristige Stabilität, was die hohe Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit der SESAMs demonstriert.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend wurden InAs/GaAs-QDs für 1550-nm-Anwendungen mit der MBE-Technik gezüchtet, wobei Schichten aus InGaAs-Legierung und SSL jeweils als Kappenschichten für die QDs dienten. Mit temperaturabhängiger und leistungsabhängiger PL-Spektroskopie-Charakterisierung wird gezeigt, dass der Leitungsbandversatz der CL- und QD-Strukturen von 86 meV auf 68 meV reduziert wird, indem die In_0,33Ga_0,67As-Legierungs-CL durch eine (In_0,20Ga_0,80As/In_0,30Ga_0,70As)₅ SSL-CL ersetzt wird, und eine effizientere Mehr-Phononen-beteiligte Trägerstreuung erreicht wird, was zu mehr Trägern führt, die strahlend in der QD-Struktur rekombinieren, und die resultierende signifikant verbesserte Emission bei 1550 nm. Der QD-SESAM, der mit den SSL-gekapselten InAs/GaAs-QDs gezüchtet wurde, weist eine stark verbesserte Sättigungsintensität von 13,7 MW/cm² und eine nichtlineare Modulationstiefe von 1,6 % auf, und eine Pulsdauer von 920 fs wird in einem mode-locked Faserlaser erreicht, der bei 1556 nm mit dem QD-SESAM arbeitet. Der entwickelte QD-SESAM mit dem SSL-Design als CLs für QDs wird einen neuen Weg zu hochleistungsfähigen Ultrakurzlasern ebnen.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind ohne Einschränkung auf vernünftige Anfrage vom entsprechenden Autor vollständig verfügbar.

Abkürzungen

2D:

Zweidimensional

AFM:

Rasterkraftmikroskop

BL:

Pufferschicht

CIR:

Zirkulator

CLs:

Kappenschichten

DBR:

Distributed Bragg Reflector

EDF:

Er-dotierte Faser

LA:

Longitudinal akustisch

LD:

Laserdiode

LO:

Longitudinal optisch

MBE:

Molekularstrahlepitaxie

MLs:

Monolagen

OC:

Ausgangskoppler

PC:

Polarisationscontroller

PI-ISO:

Polarisationsunabhängiger Isolator

PL:

Photolumineszenz

QDs:

Quantenpunkte

QW:

Quantenfilm

RT:

Raumtemperatur

SA:

Sättigungsabsorber

SESAMs:

Halbleiter-Sättigungsabsorber-Spiegel

SSL:

Kurzperiodiges Supergitter

TEM:

Transmissionselektronenmikroskopie

WDM:

Wellenlängenteilungs-Multiplexer