Entwicklung eines 1550-nm-InAs/GaAs-Quantum Dot-Saturable-Absorber-Spiegels mit einer kurzperiodischen Übergitter-Abdeckstruktur für Femtosekunden-Faserlaseranwendungen

Einführung

Modengekoppelte 1550-nm-Femtosekunden-Pulslaser haben aufgrund ihrer hohen Spitzenleistung, des geringen thermischen Effekts und der hohen Pulsenergie breite Anwendungen in der optischen Kommunikation, ultraschnellen Optik und nichtlinearen Optik [1,2,3,4,5] . Der sättigbare Absorber (SA) mit der großen optischen Bandbreite, schnellen Ansprechzeit und geringen Verlusteigenschaften ist die kritische optische Komponente für solche Ultrakurzpulslaser [6,7,8,9]. Darüber hinaus ist eine hohe Schadensschwelle des SA für einen langzeitstabilen Betrieb eines modengekoppelten Lasers sehr wünschenswert [10,11,12,13]. In letzter Zeit haben zweidimensionale (2D) Materialien wie Graphen, topologische Isolatoren, schwarzer Phosphor und Übergangsmetalldichalkogenide viel Aufmerksamkeit für ihre Anwendung als SAs für modengekoppelte Femtosekunden-Pulslaser auf sich gezogen [14,15,16,17,18, 19,20,21]. Ihre niedrige Schadensschwelle und schlechte Arbeitsstabilität haben jedoch ihre breite Anwendung stark behindert [22, 23]. Quantum Well (QW)-basierte SESAMs gelten aufgrund ihrer hohen Wiederholbarkeit und ausgezeichneten Betriebsstabilität als kommerzieller Kandidat für modengekoppelte ultraschnelle Laser, aber die schmalen Betriebsbandbreiten und die geringe Modulationstiefe sind immer noch die großen Hindernisse für die Realisierung von Femtosekunden-Ultrakurzschlüssen Impulse [24].

Kürzlich haben sich selbstorganisierte InAs-Quantenpunkte (QDs), die über den Stranski-Krastanow-Modus gezüchtet wurden, mit einer Betriebsbandbreite und einer schnellen Trägerwiederherstellungszeit [25,26,27,28,29,30,31] als ausgezeichnete Wahl herausgestellt für SESAMs, um modengekoppelte gepulste Laser zu konstruieren. Um die Arbeitswellenlänge um 1550  nm zu erreichen, werden üblicherweise InP-basierte InGaAsP-QWs verwendet. Die Bandlücken von InGaAs-QDs auf GaAs-Basis können im Allgemeinen so konstruiert werden, dass sie den Spektralbereich von 980 bis 1310 nm abdecken, und eine längere Wellenlänge über 1310 nm erfordert einen viel höheren Indiumgehalt in den QD-Deckschichten (CLs). Quartäre InGaAsSb (InGaNAs)-Legierungen und InGaAs CLs mit sehr hohem In % (> 30 %) wurden verwendet, um die QD-Bandlücke in Richtung der langen Wellenlänge von 1550  nm zu gestalten [32, 33]. Die quartären Legierungs-CLs verkomplizieren jedoch den epitaktischen Wachstumsprozess erheblich, und der hohe In-Gehalt in InGaAs-CLs verschlechtert die kristalline und optische Qualität der QDs, was mehr nichtstrahlende Rekombinationszentren einführt. Die 1550-nm-Emission wurde mit InAs/GaAs-QDs erzielt, die auf metamorphen Substraten aufgewachsen wurden, aber schlechte Zuverlässigkeit und Wiederholbarkeit bleiben die schwerwiegenden Probleme für eine solche Technik [34]. In unserer vorherigen Arbeit wurden asymmetrische InAs/GaAs-QDs hergestellt, die bei 1550 nm arbeiten, wodurch ein modengekoppelter Er-dotierter Glasoszillator mit 2 ps Pulsbreite erreicht wurde [24]. Und vor kurzem wurde ein 1550 nm QD-SESAM mit InGaAs-bedeckter InAs/GaAs-Struktur hergestellt, mit dem ein passiv gütegeschalteter Erbium-dotierter Faser-(EDF)-Laser mit zwei Wellenlängen erreicht wurde [35]. Die Leistung der erhaltenen Laser war jedoch aufgrund der geringen 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 zu optimieren, um die Modulationstiefe solcher QD-SESAMs zu verbessern.

In dieser Arbeit haben wir verschiedene InAs/GaAs-QD-Strukturen für SESAMs, die im 1550-nm-Bereich arbeiten, mit CLs aus einer InGaAs-Legierung bzw. mit kurzperiodischen InGaAs-Übergittern (SSL) aus InGaAs gezüchtet und deren optische Eigenschaften gründlich untersucht. Die Charakterisierung der Photolumineszenz-(PL)-Spektroskopie zeigt eine sehr schwache Lichtemission bei Raumtemperatur (RT) bei einer Wellenlänge um 1550 nm, die bei einer niedrigeren Temperatur als 250 K nicht beobachtet werden kann. Dieses Phänomen steht in bemerkenswertem Gegensatz zu den bekannten temperaturabhängigen Verhalten von QD-Systemen, nämlich die PL-Intensität ist bei niedrigeren Temperaturen stärker, die bei RT aufgrund der thermischen Anregung der eingeschlossenen Ladungsträger in QDs sehr schwach oder sogar nicht beobachtbar wird. Die bei den 1550-nm-InAs/GaAs-QDs beobachteten abnormen Phänomene können dem schwachen Ladungsträgerrelaxationsprozess von CL zu QDs zugeschrieben werden, der durch Anwachsen einer SSL-CL für die QDs signifikant reduziert werden kann. Die SSL-Strukturen bieten reichlich Phononenmoden mit großen Schwingungsdichten von Zuständen, die die Ladungsträgerrelaxation von den CLs zu den QDs effektiv verstärken. Daher wird eine 10-mal stärkere 1550-nm-Emission als bei den nicht-SSL-gekappten QDs beobachtet. Die überlegene Trägerdynamik der 1550-nm-QDs verleiht den QD-SESAMs eine hochsättigbare Absorptionsleistung, die sich in einer sehr geringen Sättigungsintensität von 13,7 MW/cm ² . manifestiert und eine größere nichtlineare Modulationstiefe von 1,6 %, die das Vierfache des in [24, 35] angegebenen Wertes ist. Dank der hohen Leistung des QD-SESAM mit SSL-CLs haben wir erfolgreich einen EDF-Laser konstruiert und das stabile modengekoppelte 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 Technik der Molekularstrahlepitaxie (MBE) gezüchtet. Alle Proben enthalten drei Perioden von Punktschichten, von denen jede aus 2,9 Monoschichten (MLs) InAs selbstorganisiert ist. Wie in Abb. 1 gezeigt, wurden in den Proben 1 und 2 die InAs-QDs auf GaAs und einem 1-nm-In_0,18 . gezüchtet Ga_0,82 Als Pufferschicht (BL) bzw. und alle mit einem 6 nm dicken In_0.33 . bedeckt Ga_0,67 Als Schicht. Für Probe 3 wurden die 2,9 MLs InAs QDs auch auf einem 1 nm dicken In_0,18 . gezüchtet Ga_0,82 Wie BL, aber mit einer 10-nm-dicken SSL, die aus 5 Perioden von In_0,20 . besteht Ga_0.80 As (1 nm) und In_0,30 Ga_0,70 Als (1 nm) Schichten. Die Wachstumstemperatur und die Wachstumsrate von InAs QDs betrugen 510 °C bzw. 0,01 ML/s. Die QD-SESAMs wurden durch Züchten einer Punktschichtstruktur auf einem unteren verteilten Bragg-Reflektor (DBR) hergestellt, der 31 Paare von undotiertem GaAs (115 nm) und Al_0.98 . enthält Ga_0,02 Als (134 nm) Schichten. Die Wachstumstemperaturen für GaAs und InGaAs betrugen 565 bzw. 530 °C.

Schematische Darstellungen von QD-Strukturen. Schematische Darstellungen von drei Teststrukturen von a Probe 1, b Probe 2 und c Probe 3 bzw.

Charakterisierungsmethoden

PL-Messungen wurden mit einem 532-nm-Festkörperlaser im unterschiedlichen Temperaturbereich von 11 bis 300 K durchgeführt. Die kristallographischen Strukturen dieser QD-Proben wurden mit hochauflösender Röntgenbeugung unter Verwendung der Cu Kα-Emissionslinie charakterisiert. Die Morphologien der QD-Strukturen wurden mit der Technik des Rasterkraftmikroskops (AFM) unter Umgebungsbedingungen im berührungslosen Modus auf einem Nanoscope Dimension ^TM . untersucht 3100 SPM AFM-System. Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) Bilder wurden mit einem 200 KeV JEOL-2010 Mikroskop aufgenommen.

Ergebnisse und Diskussion

Abb. 2a, b und c zeigen die temperaturabhängigen PL-Spektren der Proben 1, 2 bzw. 3, die bei Temperaturen von 11 bis 300 K mit einer Anregungsleistung von 200 mW aufgenommen wurden. Es zeigt zwei charakteristische PL-Peaks, einen schmalen Peak im kurzwelligen Bereich und einen breiten im langen Wellenlängenbereich. Der schmale Peak bei etwa 1170 nm bei 11 K und etwa 1280 nm bei 300 K stammt von der Lumineszenz der CLs, während der breite Peak bei etwa 1550 nm bei 300 K der QD-Emission zugeschrieben wird. Wie in Abb. 2a gezeigt, kann bei niedrigeren Temperaturen nur die CL-Emission beobachtet werden, und die Emission bei etwa 1550 nm von den InAs-QDs beginnt zu erscheinen, wenn die Temperatur auf 250 K ansteigt und wird mit weiter steigender Temperatur allmählich stärker . Ein ähnliches Verhalten wird auch bei Probe 2 beobachtet, wie in Abb. 2b gezeigt. Im Allgemeinen dominiert bei InAs/GaAs-QD-Strukturen, die für eine kürzerwellige Emission (z. B. 1300  nm) ausgelegt sind, die Emission von QDs die PL-Spektren bei niedrigen Temperaturen, und die Emission von CLs oder Benetzungsschichten kann kaum beobachtet werden. Dies liegt an den niedrigeren Energieniveaus der QD-Strukturen und dem reduzierten thermischen Entweichen von Ladungsträgern aus den QDs bei niedrigen Temperaturen [36]. Mit steigender Temperatur nimmt die Emissionsintensität von QDs aufgrund des verstärkten thermischen Entweichens von Ladungsträgern aus QDs allmählich ab. Im bemerkenswerten Gegensatz zu den für 1310-nm-Anwendungen entwickelten InAs/GaAs-QDs zeigen unsere Proben für 1550 nm ein völlig entgegengesetztes temperaturabhängiges Lichtemissionsverhalten, was auf eine ausgezeichnete Trägerdynamik 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 befinden sich alle in der QD-Struktur, und es wird daher erwartet, dass die photogenerierten Ladungsträger vorzugsweise vorhanden sind in den QDs, nachdem sie ihre übermäßigen Energien entspannt haben. Das beobachtete PL-Ergebnis ist jedoch, dass die CL-Emission die PL dominiert und die QD-Emission bei einer Temperatur unter 250 K unsichtbar ist, was zeigt, dass bei niedrigen Temperaturen die photogenerierten Ladungsträger dominant in den CLs und nicht in eingeschlossen sind die QDs. Diese Tatsache kann durch die starken Blockierungseffekte der Trägerrelaxation erklärt werden, dass zu wenige Phononen am Trägerstreuungsprozess teilnehmen, was zu einer geringen Relaxationseffizienz der Träger von den CLs zu QDs führt. Mit steigender Temperatur werden mehr Phononenpopulationen thermisch angeregt und die Wechselwirkung von Phononen mit photogenerierten Ladungsträgern wird allmählich verstärkt, was dazu führt, dass mehr Ladungsträger von CLs zu den QDs gestreut werden. Die stärkste PL-Intensität der QD-Emission bei 1550 nm, die bei RT erscheint, zeigt an, dass der Energierelaxationsprozess der Ladungsträger von CLs zu QDs den thermischen Fluchtprozess von QDs zu CLs dominiert.

Materialcharakterisierung und schematisches Banddiagramm. PL-Spektren gemessen bei 11-300 K von a Probe 1, b Probe 2 und c Probe 3 bzw. d Hochauflösende ω/2θ-Scans, die den GaAs (008)-Substratpeak und das CL-Beugungsmuster für die Proben 1, 2 bzw. 3 zeigen. Schematisches Banddiagramm für e Probe 2 und f Probe 3 bzw.

Die PL-Charakterisierungen der Proben 1 und 2 zeigen, dass in dem für 1550-nm-Anwendungen ausgelegten InAs/GaAs-QD-System eine ineffiziente Trägerrelaxationscharakteristik existiert und eine größere Phononendichte die Trägerrelaxation bis hinunter zu QDs begünstigt. Im Wesentlichen ist der Relaxationsprozess schwacher Ladungsträger in den elektronischen Bandstrukturen verwurzelt, die durch die CL bestimmt werden. Die QD-Materialien, bei denen ihre Bandversätze viel größer sind als die longitudinalen optischen (LO) Phononenenergien der CLs und die Ladungsträger in den CLs müssen auf die QD-Niveaus relaxieren, indem sie mehrere Phononen emittieren anstatt nur eines einzelnen. Der schwache Ladungsträgerrelaxationsprozess kann in den InAs/GaAs-QDs für 1550 nm wegen des viel größeren Bandversatzes in der CL- und QD-Bandstruktur nicht eliminiert werden, aber wir können den Mehrfachphononen-Streuprozess durch Anpassen der elektronischen Bandstrukturen sowie . modifizieren die Phononenbandstrukturen. Um dieses Ziel der Verbesserung der Ladungsträgerrelaxation in den 1550-nm-QDs zu erreichen, haben wir eine (In_0,20 Ga_0.80 As/In_0,30 Ga_0,70 Als)₅ SSL-Struktur als CLs, um die InGaAs-CLs zu ersetzen. Es wird erwartet, dass die SSL-CLs aufgrund der Faltungseffekte der Brillouin-Zone in SSL mehr Phononen-Schwingungsmoden und viel größere Phononendichten bereitstellen [37]. Wie in Fig. 1c gezeigt, wurde Probe 3 mit derselben Struktur wie Probe 2 gezüchtet, außer dass fünf Perioden von 10 nm dickem In_0,20 . verwendet wurden Ga_0.80 As/In_0,30 Ga_0,70 Als SSLs wie die CLs. Abbildung 2d zeigt die erhaltenen XRD-Muster für die Proben 1, 2 und 3. Alle Proben zeigen einen starken Peak bei 66,1 °, der der Beugung an den (008)-Ebenen von kubischem GaAs zugeordnet werden kann. Deutliche Satellitenpeaks aufgrund des 6 nm dicken In_0.33 Ga_0,67 Da bei den Proben 1 und 2 eine CL-Struktur bei etwa 64,0° beobachtet wird. Eine weitere Untersuchung zeigt, dass In_0,20 Ga_0.80 As/In_0,30 Ga_0,70 Da SSL in Probe 3 einen Satellitenpeak bei etwa 64,4° und eine Verschiebung zu größeren Graden in Bezug auf In_0,33 . aufweist Ga_0,67 Da CLs auf eine Abnahme des durchschnittlichen In-Gehalts schließen lassen [38, 39]. Um die Wirkung von SSL-CLs auf die optischen Eigenschaften der InAs/GaAs-QDs zu verstehen, werden auch temperaturabhängige PL-Spektren für Probe 3 gemessen, wie in Abb. 2c gezeigt. Ähnlich wie bei Probe 1 und 2 kann bei Temperaturen unter 200  K keine offensichtliche PL-Emission bei 1550  nm von den InAs/GaAs-QDs beobachtet werden, und die Emission wird mit zunehmenden höheren Temperaturen allmählich intensiver. Es ist erwähnenswert, dass der QD-Emissionspeak bei 1550 nm in Probe 3 bei einer viel niedrigeren Temperatur von 200 K auftritt (etwa 250 K für die Proben 1 und 2). Seine relative Intensität in Bezug auf die CL-Emission bei RT ist viel höher als bei den 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 Ladungsträgerrelaxation von den CLs bis hinunter zum QDs, was zu einer stark verbesserten Strahlungsrekombination in den QDs führt. Der Grund für die verstärkte Ladungsträgerrelaxation von den CLs zu den QDs liegt in hochwertigen SSL-CLs mit verringertem Indiumgehalt. Dies moduliert effektiv das Ladungsträgerrelaxationsverhalten und verbessert das Einfangen von Ladungsträgern durch die QDs.

Um weitere Einblicke in den Multiphonon-erleichterten Ladungsträgerstreuprozess zu gewinnen, werden die Bandstrukturen des InAs/GaAs-QD-Systems mit verschiedenen CL-Typen verglichen. Der Einfachheit halber kann die Energiedifferenz zwischen den CL- und QD-Bandlücken als Differenz ihrer PL-Spitzenenergien abgeschätzt werden. Wie in Fig. 2e und f gezeigt, werden die Bandabstandsunterschiede in Probe 2 und 3 zwischen den CL- und InAs-QDs bei 300   K gemäß den PL-Messungen als 143 bzw. 114  meV bestimmt. Unter der Annahme, dass die Bandverschiebungen ungefähr 60 % der energetischen Unterschiede zwischen den Leitungsbändern von CL und QDs betragen [40] müssen die Elektronen für Probe 2 und Probe 3 um 86 bzw. 68 meV relaxieren, um an den Energieniveaus der Abdeckschichten auf die niedrigsten Energieniveaus der InAs-QDs. Die Phononenenergien der LO- und longitudinalen akustischen (LA) Moden in den InGaAs-Legierungen betragen 34 und 9 meV [40, 41]. Für den Mehrfach-Phononen-Streuprozess kann die Kombination von 2 LO-Phononen in Probe 3 die Streuung eines Elektrons von den CLs zu QDs erfüllen, während 2 LO-Phononen plus 1 LO- oder 2 LA-Phononen für Probe 2 benötigt werden. Es wurde gezeigt, dass die Elektronenrelaxationsrate wird stark reduziert, wenn mehr Phononenmoden an einem multiplen Phononenstreuprozess beteiligt sind [42,43,44,45]. Daher ist die Elektronenrelaxationsrate in Probe 3 größer als in Probe 2, was die stark erhöhte PL-Intensität der QDs in Probe 3 erklärt. Tatsächlich sind der verringerte In-Gehalt in den SSL-CLs und der abgeschwächte Phononen-Engpasseffekt in der Trägerrelaxationsprozess sind die Hauptgründe für die erhöhte PL-Intensität der QDs in Probe 3.

Um den durch die SSL-CLs verursachten verstärkten Ladungsträgerrelaxationseffekt weiter zu verifizieren, wurden die von der Anregungsleistung abhängigen PL-Spektren bei 300 K aufgenommen. Wie in den Abbildungen 3a, b und c gezeigt, wurde die PL-Intensität der CL (Peak 1) und InAs QD (Peak 2) Peaks nehmen mit der erhöhten Anregungsleistung allmählich zu, und es kann keine offensichtliche Verschiebung der Peakpositionen beobachtet werden. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Intensität von Peak 1 bei der höheren Anregungsleistung viel stärker als die von Peak 2 in Probe 1 und 2 ist, wie in Abb. 3a und b gezeigt, während Probe 3 bei allen gemessenen Anregungswerten eine viel stärkere QD-Emission zeigt Leistungsbereich. Die PL-Intensitätsverhältnisse von Peak 2 und Peak 1 dieser Proben als Funktion der Anregungsleistung wurden in Abb. 3d zusammengefasst. Bei der Anregungsleistung von 2000 mW werden die PL-Intensitätsverhältnisse von Peak 2 und Peak 1 mit 0,21 und 0,29 entsprechend Probe 1 bzw. 2 ermittelt, wie in Fig. 3d gezeigt. Es zeigt, dass viele Ladungsträger in InGaAs CL rekombinieren und die Ladungsträgerrelaxation von der Deckschicht zu InAs QDs aufgrund der ineffizienten Ladungsträgerrelaxationsrate stark behindert wird. 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 erreicht wird, die durch das In_0,18 . verursacht werden Ga_0,82 Als Pufferschicht [24]. Die Intensität von Peak 2 in Probe 3 ist etwa 2,1-mal stärker als die von Peak 1 bei einer Anregungsleistung von 2000  mW, was auf eine stark verbesserte Ladungsträgerrelaxationseffizienz in den SSL-gekappten InAs-QDs hinweist. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass, obwohl der durchschnittliche In-Gehalt in der SSL-Deckschicht etwa 25 % beträgt, der in den CLs der Proben 1 und 2 kleiner als 33 % ist, die Emissionswellenlänge von Peak 1 (bei ~1337  nm) in Probe 3 ist etwas länger (bei ~ 1310 nm) für die Proben 1 und 2. Wir glauben, dass der Hauptgrund für die Ergebnisse der reduzierte Quanteneinschlusseffekt in der viel dickeren (10 nm) SSL-Schicht im Vergleich zur 6-nm-Schicht ist InGaAs-Deckschicht.

Leistungsabhängige PL-Messungen. Leistungsabhängige PL-Spektren bei Raumtemperatur, gemessen bei 20–2000 mW von a Probe 1, b Probe 2 und c Probe 3 bzw. d Intensitätsfunk von Peak 2/Peak 1 im Vergleich zur Pumpleistung in den Proben 1, 2 bzw. 3.

Basierend auf den guten optischen Eigenschaften, die in den SSL-verkappten InAs/GaAs-QDs erhalten werden, demonstrieren wir weiterhin seine Anwendung als QD-SESAM für die Femtosekunden-Pulserzeugung. Der 1550 nm SSL-gekappte InAs/GaAs-QD-SESAM besteht aus einer Schicht SSL-gekappter InAs/GaAs-QDs als Absorptionsschicht und einem unteren DBR-Spiegel aus 31 Perioden undotiertem GaAs (115 nm) und Al_0.98 Ga_0,02 Als (134 nm) Schichten. Die detaillierte Struktur des QD-SESAM wird durch das TEM-Querschnittsbild veranschaulicht, wie in Fig. 4 gezeigt. Die durchschnittliche Punktdichte der QDs in der Absorptionsschicht wird auf 4,4 × 10 ¹⁰ . geschätzt cm ^-2 , und die durchschnittliche Höhe und laterale Größe des Punktes betragen 7,5 bzw. 40 nm, wie im AFM-Bild in Abb. 4 zu sehen ist /cm ² und ein nichtlinearer Modulationsgrad von 1,6 % werden erreicht. Wie in Abb. 4 dargestellt, haben wir mit dem in die EDF-Laserkavität eingesetzten QD-SESAM einen passiv modengekoppelten Laser konstruiert. Mit einer standardmäßigen 23,75-m-Singlemode-Faser und einem 0,75-m-EDF als Verstärkungsmedium ergibt sich eine Resonatorlänge von 24,5 m. Als Pumpquelle dient eine Halbleiter-DFB-Laserdiode (LD), die bei 980 nm emittiert, und ein 980/1550 nm Wellenlängenmultiplexer (WDM) wird verwendet, um die Pumpenergie in den Faserlaserhohlraum einzukoppeln. Ein polarisationsunabhängiger Isolator (PI-ISO) und ein Polarisationscontroller (PC) werden verwendet, um eine Einwegübertragung des Lichts zu gewährleisten bzw. den Modenkopplungszustand in der Kavität zu optimieren. Port 1 eines optischen 1550-nm-Zirkulators (CIR) ist mit dem PC verbunden, Port 2 ist mit dem QD-SESAM verbunden und Port 3 dieses CIR ist mit dem 10/90-Ausgangskoppler (OC) verbunden (10% Ausgang und 90% Eingabe).

Experimenteller Aufbau eines modengekoppelten Faserlasers mit 1550-nm-QD-SESAM. Einschub:TEM-Querschnittsbild des QD-SESAM und 1 × 1 μm ² AFM-Bild der 1550-nm-QDs

Das Modenkopplungsverhalten kann erreicht werden, wenn die Pumpleistung höher als 50 mW ist. Wie in Abb. 5a gezeigt, steigt die Ausgangsleistung dieses modengekoppelten Lasers linear mit der erhöhten Pumpleistung und die Steigungseffizienz beträgt etwa 4,82%, bestimmt durch die lineare Anpassungsbehandlung. Wie in Abb. 5b dargestellt, wurde das typische Spektrum des konventionellen Solitons mit einer 3-dB-Bandbreite von 3,2 nm beobachtet. Die zentrale Wellenlänge beträgt 1556 nm. Das HF-Spektrum mit einer Repetitionsrate von 8,16 MHz ist in Abb. 5c dargestellt, entsprechend der Resonatorlänge von 24,5 m. Das Signal-Rausch-Verhältnis beträgt etwa 51 dB, was auf das große Potenzial hindeutet, einen stabilen Modenkopplungsbetrieb mit SSL-Capping-QD-SESAMs zu erreichen. Langzeitstabile Modenkopplungsmessungen wurden bei der Schwellenpumpleistung von 50 µmW durchgeführt, und über 1 Woche wurde ein stabiler Dauerbetrieb erreicht. Abb. 5d ist die Autokorrelationsspur, die mit einem Gaußschen Anpassungsprofil versehen ist, das die reale Impulsdauer von ungefähr 920 fs veranschaulicht. Zum Vergleich, mit dem QD-SESAM basierend auf der Struktur wie in Probe 2 mit einer Sättigungsintensität von 15,7 MW/cm ² und einer nichtlinearen Modulationstiefe von 0,4 %, und der modengekoppelte Laser erzeugt Pulse mit einer Breite von 2,7  ps [47]. Die stark verkürzte Pulsdauer, die mit QD-SESAM-basierten SSL-gekappten QDs erreicht wird, kann der erhöhten Modulationstiefe zugeschrieben werden, und wir glauben, dass die durch SSL-Kappschichten induzierte verbesserte Ladungsträgerrelaxationseffizienz für die verringerte Sättigungsintensität verantwortlich ist. Darüber hinaus wurden fünf weitere SSL-gekappte QD-SESAMs ausgewählt, um die modengekoppelten Faserlaser zu konstruieren, und alle modengekoppelten Laser haben eine Langzeitstabilität gezeigt, wodurch die hohe Wiederholbarkeit und Zuverlässigkeit der SESAMs demonstriert wird.

Eigenschaften des modengekoppelten Faserlasers. a Ausgangsleistung versus Pumpenleistung. b Optische Spektren ausgeben. c HF-Spektrum des modengekoppelten Faserlasers. d Autokorrelationsspur

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass InAs/GaAs-QDs, die für 1550-nm-Anwendungen ausgelegt sind, durch die MBE-Technik mit Schichten aus InGaAs-Legierung bzw. SSL als Deckschichten für QDs gezüchtet wurden. Die temperatur- und leistungsabhängige Charakterisierung der PL-Spektroskopie zeigt, dass der Leitungsband-Offset von CL- und QD-Strukturen von 86 meV auf 68 meV durch Änderung des In_0.33 . modifiziert wird Ga_0,67 Als Legierung CL zu a (In_0,20 Ga_0.80 As/In_0,30 Ga_0,70 Als)₅ SSL CL, und eine effizientere Multiphonon-beteiligte Trägerstreuung wird daher erreicht, was dazu führt, dass mehr Träger strahlend in der QD-Struktur rekombinieren und die daraus resultierende signifikant verbesserte Emission bei 1550  nm resultiert. Das mit den SSL-gekappten InAs/GaAs-QDs gewachsene QD-SESAM weist eine stark verbesserte Sättigungsintensität von 13,7 MW/cm ² . auf und eine nichtlineare Modulationstiefe von 1,6 % und eine Pulsdauer von 920 fs wird in einem modengekoppelten Faserlaser erreicht, der bei 1556 nm arbeitet und mit dem QD-SESAM aufgebaut ist. Der entwickelte QD-SESAM mit dem SSL-Design als CLs für QDs wird einen neuen Weg in Richtung ultraschneller Hochleistungslaser ebnen.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage uneingeschränkt vom entsprechenden Autor verfügbar.

Abkürzungen

2D:

Zweidimensional

AFM:

Rasterkraftmikroskop

BL:

Pufferschicht

CIR:

Umwälzpumpe

CLs:

Deckschichten

DBR:

Verteilter Bragg-Reflektor

EDF:

Erbium-dotierte Faser

LA:

Längsakustik

LD:

Laserdiode

LO:

Optischer Längsschnitt

MBE:

Molekularstrahlepitaxie

MLs:

Monoschichten

OC:

Ausgangskoppler

PC:

Polarisationsregler

PI-ISO:

Polarisationsunabhängiger Isolator

PL:

Photolumineszenz

QDs:

Quantenpunkte

QW:

Quantenbrunnen

RT:

Temperatur

SA:

Sättigungsfähiger Absorber

SESAMs:

Spiegel mit sättigbarem Halbleiterabsorber

SSL:

Kurzperiodisches Übergitter

TEM:

Transmissionselektronenmikroskopie

WDM:

Wellenlängen-Multiplexer