Pengembangan Cermin Penyerap Saturable Quantum Dot 1550-nm InAs/GaAs dengan Struktur Capping Superlattice Periode Pendek Menuju Aplikasi Laser Fiber Femtosecond
Abstrak
Titik kuantum (QD) III–V InAs/GaAs dimensi rendah telah berhasil diterapkan pada cermin penyerap saturable semikonduktor (SESAMs) yang bekerja pada rentang panjang gelombang 900-1310-nm untuk aplikasi laser berdenyut ultracepat yang diuntungkan dari lebar pita, fleksibilitas panjang gelombang, dan fluen saturasi rendah. Namun, sangat menantang untuk mendapatkan kinerja tinggi QD-SESAM yang bekerja pada rentang panjang gelombang yang lebih panjang sekitar 1550 nm karena hambatan besar untuk pertumbuhan epitaksi dari struktur QD. Dalam karya ini, untuk pertama kalinya, terungkap bahwa, sistem QD InAs/GaAs yang dirancang untuk rentang emisi cahaya 1550 nm, proses relaksasi pembawa yang sangat lemah dari lapisan penutup (CLs) ke QD terutama bertanggung jawab atas kinerja emisi yang buruk, yang menurutnya kami telah mengembangkan superlattice periode pendek (Dalam0,20 Ga0,80 Sebagai/Dalam0,30 Ga0,70 Sebagai)5 sebagai CL untuk QD dan telah merealisasikan emisi ~ 10 kali lebih kuat pada 1550 nm dibandingkan dengan CL InGaAs konvensional. Berdasarkan struktur QD yang dikembangkan, QD-SESAM berkinerja tinggi telah berhasil dicapai, menunjukkan intensitas saturasi yang sangat kecil yaitu 13,7 MW/cm
2
dan kedalaman modulasi nonlinier yang besar sebesar 1,6%, secara bersamaan, yang memungkinkan konstruksi laser serat terkunci mode femtosecond 1550 nm dengan stabilitas kerja jangka panjang yang sangat baik.
Pengantar
1550-nm mode-locked femtosecond pulsed lasers memiliki aplikasi yang luas dalam komunikasi optik, optik ultracepat, dan optik non-linear karena daya puncaknya yang tinggi, efek termal yang rendah, dan energi pulsa yang tinggi [1,2,3,4,5] . Penyerap saturable (SA) dengan bandwidth optik yang lebar, waktu respon yang cepat dan sifat kehilangan yang rendah adalah komponen optik penting untuk laser berdenyut ultrashort tersebut [6,7,8,9]. Selain itu, ambang kerusakan SA yang tinggi sangat diinginkan untuk operasi stabil jangka panjang dari laser mode-locked [10,11,12,13]. Baru-baru ini, bahan dua dimensi (2D) seperti graphene, isolator topologi, fosfor hitam dan dichalcogenides logam transisi telah menarik banyak perhatian untuk aplikasi mereka sebagai SA untuk laser berdenyut femtosecond mode-locked [14,15,16,17,18, 19,20,21]. Namun, ambang kerusakan yang rendah dan stabilitas kerja yang buruk telah sangat menghambat aplikasi luas mereka [22, 23]. SESAM berbasis sumur kuantum (QW) dianggap sebagai kandidat komersial untuk laser ultracepat mode-locked karena pengulangan yang tinggi dan stabilitas operasi yang sangat baik, tetapi bandwidth operasi yang sempit dan kedalaman modulasi yang kecil masih menjadi hambatan besar untuk realisasi femtosecond ultrashort. pulsa [24].
Baru-baru ini, ditampilkan dengan bandwidth operasi papan dan waktu pemulihan operator yang cepat [25,26,27,28,29,30,31], titik kuantum (QDs) rakitan InAs yang tumbuh melalui mode Stranski-Krastanow telah muncul sebagai pilihan yang sangat baik untuk SESAM untuk membuat laser berdenyut mode-locked. Untuk mencapai panjang gelombang kerja sekitar 1550 nm, biasanya digunakan QW InGaAsP berbasis InP. Celah pita dari InGaAs QD berbasis GaAs secara umum dapat direkayasa untuk mencakup rentang spektral dari 980 hingga 1310 nm, dan panjang gelombang yang lebih panjang di luar 1310 nm membutuhkan konten indium yang jauh lebih tinggi di lapisan penutup QD (CLs). Paduan InGaAsSb (InGaNAs) Kuarter dan In% (> 30%) InGaAs CL yang sangat tinggi telah digunakan untuk merekayasa celah pita QD menuju panjang gelombang panjang 1550 nm [32, 33]. Namun, CL paduan kuaterner secara signifikan memperumit proses pertumbuhan epitaxial, dan kandungan In yang tinggi dalam CL InGaAs menurunkan kualitas kristal dan optik QD, yang memperkenalkan lebih banyak pusat rekombinasi nonradiatif. Emisi 1550 nm telah diperoleh dengan QD InAs/GaAs yang ditumbuhkan pada substrat metamorf, tetapi keandalan dan pengulangan yang buruk tetap menjadi masalah parah untuk teknik tersebut [34]. Dalam pekerjaan kami sebelumnya, QDs InAs/GaAs asimetris yang bekerja pada 1550 nm telah dibuat, di mana osilator kaca yang didoping Er dengan mode terkunci telah dicapai dengan lebar pulsa 2 ps [24]. Dan baru-baru ini, sebuah 1550 nm QD-SESAM dengan InGaAs capped InAs/GaAs struktur telah dibuat, dengan dual-panjang gelombang pasif Q-switched erbium-doped fiber (EDF) laser telah dicapai [35]. Namun, kinerja laser yang diperoleh terbatas karena kedalaman modulasi kecil 0,4% dari QD-SESAM ini. Oleh karena itu, sangat diinginkan untuk mengeksplorasi teknik baru untuk mengoptimalkan struktur QD InAs/GaAs 1550 nm untuk tujuan meningkatkan kedalaman modulasi QD-SESAM tersebut.
Dalam karya ini, kami telah menumbuhkan struktur QD InAs/GaAs yang berbeda yang dirancang untuk SESAM yang bekerja pada rentang 1550-nm, masing-masing dengan paduan InGaAs dan CL periode pendek superlattice (SSL) InGaAs, dan secara menyeluruh menyelidiki sifat optiknya. Karakterisasi spektroskopi photoluminescence (PL) mengungkapkan emisi cahaya yang sangat lemah pada suhu kamar (RT) pada panjang gelombang sekitar 1550 nm, yang tidak dapat diamati pada suhu yang lebih rendah dari 250 K. Fenomena ini sangat kontras dengan suhu-tergantung yang terkenal. perilaku sistem QD, yaitu, intensitas PL lebih kuat pada suhu yang lebih rendah, yang menjadi sangat lemah atau bahkan tidak dapat diamati di RT karena eksitasi termal dari pembawa terbatas di QD. Fenomena abnormal yang diamati pada QD InAs/GaAs 1550-nm dapat dianggap berasal dari proses relaksasi pembawa yang lemah dari CL ke QD, yang dapat dikurangi secara signifikan dengan menumbuhkan SSL CL untuk QD. Struktur SSL menyediakan mode fonon yang berlimpah dengan kerapatan getaran yang besar, yang secara efektif meningkatkan relaksasi pembawa dari CL ke QD. Oleh karena itu, emisi 1550-nm 10 kali lebih kuat daripada QD yang dibatasi non-SSL diamati. Dinamika pembawa yang unggul dalam QD 1550-nm memberi QD-SESAM dengan kinerja penyerapan yang sangat jenuh, dimanifestasikan sebagai intensitas saturasi yang sangat kecil yaitu 13,7 MW/cm
2
dan kedalaman modulasi nonlinier yang lebih besar sebesar 1,6% yaitu 4 kali lipat dari nilai yang dilaporkan dalam [24, 35]. Diuntungkan dari kinerja tinggi QD-SESAM dengan SSL CLs, kami telah berhasil membuat laser EDF dan mencapai pengikatan mode-terkunci stabil pada 1556 nm, dengan durasi pulsa 920 fs.
Metode
Pertumbuhan MBE dari QD InAs/GaAs
Tiga struktur QD InAs/GaAs ditumbuhkan dengan teknik molekuler beam epitaksi (MBE). Semua sampel berisi tiga periode lapisan titik, yang masing-masing dirakit sendiri dari 2,9 lapisan tunggal (ML) InAs. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1, dalam sampel 1 dan 2, QD InAs ditumbuhkan pada GaAs dan In0,18 1-nm Ga0,82 Sebagai lapisan penyangga (BL), masing-masing, dan semuanya ditutup dengan In0,33 setebal 6 nm Ga0,67 Sebagai lapisan. Untuk sampel 3, QD InAs 2,9 ML juga ditumbuhkan pada In0,18 setebal 1 nm Ga0,82 Sebagai BL tetapi dibatasi dengan SSL setebal 10 nm yang terdiri dari 5 periode In0,20 Ga0,80 As (1 nm) dan Dalam0,30 Ga0,70 Sebagai lapisan (1 nm). Suhu pertumbuhan dan laju pertumbuhan InAs QD masing-masing adalah 510 °C dan 0,01 ML/s. QD-SESAM dibuat dengan menumbuhkan struktur lapisan satu titik di bagian bawah Distributed Bragg Reflector (DBR) yang berisi 31 pasang GaAs yang tidak didoping (115 nm) dan Al0,98 Ga0,02 Sebagai (134 nm) lapisan. Suhu pertumbuhan untuk GaAs dan InGaAs masing-masing adalah 565 dan 530 °C.
Diagram skematis struktur QD. Diagram skematik dari tiga struktur pengujian a contoh 1, b sampel 2, dan c sampel 3, masing-masing
Metode Karakterisasi
Pengukuran PL dilakukan pada kisaran suhu yang bervariasi dari 11 hingga 300 K dengan laser solid-state 532-nm. Struktur kristalografi sampel QD ini dikarakterisasi dengan difraksi sinar-X resolusi tinggi menggunakan garis emisi Cu Kα. Morfologi struktur QD diperiksa dengan teknik mikroskop gaya atom (AFM) dalam kondisi sekitar di bawah mode nonkontak pada Dimensi Nanoskop
TM
3100 SPM sistem AFM. Gambar mikroskop elektron transmisi (TEM) diperoleh pada mikroskop JEOL-2010 200 KeV.
Hasil dan Diskusi
Gambar 2a, b, dan c menyajikan spektrum PL yang bergantung pada suhu dari sampel 1, 2, dan 3, masing-masing, diperoleh pada suhu mulai dari 11 hingga 300 K dengan daya eksitasi 200 mW. Ini mengungkapkan dua puncak PL karakteristik, puncak sempit yang terletak di wilayah panjang gelombang pendek dan yang luas pada panjang gelombang panjang. Puncak sempit yang diposisikan sekitar 1170 nm pada 11 K dan sekitar 1280 nm pada 300 K berasal dari pendaran dari CL, sedangkan puncak lebar pada sekitar 1550 nm pada 300 K dianggap berasal dari emisi QD. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a, pada suhu yang lebih rendah, hanya emisi CL yang dapat diamati, dan emisi sekitar 1550 nm dari QD InAs mulai muncul saat suhu meningkat hingga 250 K dan secara bertahap menjadi lebih kuat dengan peningkatan suhu lebih lanjut . Perilaku serupa juga diamati dengan sampel 2 seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b. Umumnya, untuk struktur QD InAs/GaAs yang dirancang untuk emisi panjang gelombang yang lebih pendek (misalnya, 1300 nm), emisi dari QD mendominasi spektrum PL pada suhu rendah, dan emisi dari CL atau lapisan pembasahan hampir tidak dapat diamati. Ini karena tingkat energi yang lebih rendah dari struktur QD dan pengurangan pelepasan termal pembawa dari QD pada suhu rendah [36]. Dengan peningkatan suhu, intensitas emisi QDs menurun secara bertahap karena peningkatan pelepasan termal pembawa dari QDs. Sangat kontras dengan QD InAs/GaAs yang dirancang untuk aplikasi 1310-nm, sampel kami untuk 1550 nm menunjukkan perilaku emisi cahaya bergantung suhu yang sepenuhnya berlawanan, menunjukkan dinamika pembawa yang berbeda dalam sistem QD baru ini. Seperti yang digambarkan pada Gambar. 2e, celah pita QD jauh lebih sempit daripada CLs dan tingkat energi terendah untuk elektron dan lubang semuanya ada dalam struktur QD, dan oleh karena itu diharapkan pembawa yang dihasilkan foto lebih disukai berada di QD setelah mengendurkan energi mereka yang berlebihan. Namun, hasil PL yang diamati adalah bahwa emisi CL mendominasi PL dan emisi QD tidak terlihat pada suhu lebih rendah dari 250 K, yang mengungkapkan bahwa, pada suhu rendah, pembawa yang dihasilkan foto secara dominan terbatas di CL daripada di QD. Fakta ini dapat dijelaskan oleh efek pemblokiran relaksasi pembawa yang parah bahwa ada terlalu sedikit fonon yang berpartisipasi dalam proses hamburan pembawa, menghasilkan efisiensi relaksasi pembawa yang rendah dari CL ke QD. Dengan peningkatan suhu, lebih banyak populasi fonon yang tereksitasi secara termal dan interaksi fonon dengan pembawa yang dihasilkan foto secara bertahap ditingkatkan, yang mengarah ke lebih banyak pembawa yang tersebar dari CL ke QD. Intensitas PL terkuat dari emisi QD pada 1550 nm yang muncul di RT menunjukkan bahwa proses relaksasi energi pembawa dari CLs ke QDs mendominasi proses pelepasan termal dari QDs ke CLs.
Karakterisasi material dan diagram pita skematik. Spektrum PL diukur pada 11-300 K dari a contoh 1, b sampel 2, dan c sampel 3, masing-masing. d Pemindaian /2θ resolusi tinggi menunjukkan puncak substrat GaAs (008) dan pola difraksi CL untuk sampel 1, 2, dan 3, masing-masing. Diagram pita skema untuk e contoh 2 dan f sampel 3, masing-masing
Karakterisasi PL sampel 1 dan 2 mengungkapkan bahwa, dalam sistem QD InAs/GaAs yang dirancang untuk aplikasi 1550-nm, terdapat karakteristik relaksasi pembawa yang tidak efisien dan kepadatan fonon yang lebih besar mendukung relaksasi pembawa hingga QD. Pada dasarnya, proses relaksasi pembawa yang lemah berakar pada struktur pita elektronik yang ditentukan oleh CL. Bahan QD di mana band offsetnya jauh lebih besar daripada energi fonon optik longitudinal (LO) dari CL dan pembawa di CL harus rileks ke level QD melalui memancarkan banyak fonon daripada hanya satu fonon. Proses relaksasi pembawa yang lemah tidak dapat dihilangkan dalam QD InAs/GaAs untuk 1550 nm karena offset pita yang jauh lebih besar dalam struktur pita CL dan QD, tetapi kita dapat memodifikasi proses hamburan fonon multipel melalui penyesuaian struktur pita elektronik serta struktur pita fonon. Untuk mencapai tujuan ini untuk meningkatkan relaksasi pembawa di QD 1550-nm, kami telah menggunakan (Dalam0,20 Ga0,80 Sebagai/Dalam0,30 Ga0,70 Sebagai)5 Struktur SSL sebagai CL untuk menggantikan CL InGaAs. SSL CL diharapkan memberikan lebih banyak mode getaran fonon dan kepadatan fonon yang jauh lebih besar karena efek lipatan zona Brillouin di SSL [37]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1c, sampel 3 ditumbuhkan dengan struktur yang sama seperti sampel 2 kecuali penggunaan lima periode In0,20 setebal 10 nm. Ga0,80 Sebagai/Dalam0,30 Ga0,70 Sebagai SSL sebagai CL. Gambar 2d menunjukkan pola XRD yang diperoleh untuk sampel 1, 2, dan 3. Semua sampel menunjukkan puncak yang kuat pada 66,1°, yang dapat ditetapkan untuk difraksi dari bidang (008) GaAs kubik. Puncak satelit yang jelas dihasilkan dari In0,33 . setebal 6 nm Ga0,67 Karena struktur CL diamati pada sekitar 64,0° untuk sampel 1 dan 2. Pemeriksaan lebih lanjut mengungkapkan bahwa In0,20 Ga0,80 Sebagai/Dalam0,30 Ga0,70 Karena SSL dalam sampel 3 menunjukkan puncak satelit di sekitar 64,4°, dan pergeseran menuju derajat yang lebih besar sehubungan dengan In0,33 Ga0,67 Seperti CL menunjukkan penurunan rata-rata dalam konten [38, 39]. Untuk memahami efek CL SSL pada properti optik dari QD InAs/GaAs, spektrum PL yang bergantung pada suhu untuk sampel 3 juga diukur seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2c. Mirip dengan sampel 1 dan 2, tidak ada emisi PL yang jelas pada 1550 nm dari QD InAs/GaAs yang dapat diamati pada suhu lebih rendah dari 200 K dan emisi secara bertahap menjadi intens dengan peningkatan suhu yang lebih tinggi. Perlu dicatat bahwa puncak emisi QD pada 1550 nm dalam sampel 3 muncul pada suhu yang jauh lebih rendah 200 K (sekitar 250 K untuk sampel 1 dan 2). Intensitas relatifnya sehubungan dengan emisi CL di RT jauh lebih tinggi daripada sampel 1 dan 2, dan intensitas PL-nya sekitar 10 kali lebih kuat dari sampel 2. Hasil ini menunjukkan bahwa SSL CL sangat meningkatkan relaksasi pembawa dari CL ke bawah. QD, menghasilkan rekombinasi radiasi yang jauh lebih baik di QD. Alasan yang bertanggung jawab atas peningkatan relaksasi pembawa dari CL ke QD terletak pada CL SSL berkualitas tinggi dengan konten indium yang berkurang. Ini secara efektif memodulasi perilaku relaksasi pembawa dan meningkatkan penangkapan pembawa oleh QD.
Untuk membuat wawasan lebih lanjut tentang proses hamburan pembawa yang difasilitasi multi-fonon, struktur pita sistem QD InAs/GaAs dengan berbagai jenis CL dibandingkan. Untuk tujuan kesederhanaan, perbedaan energi antara celah pita CL dan QD dapat diperkirakan sebagai perbedaan energi puncak PL mereka. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2e dan f, perbedaan celah pita dalam sampel 2 dan 3 antara CL dan InAs QD pada 300 K ditentukan masing-masing sebagai 143 dan 114 meV, menurut pengukuran PL. Dengan asumsi bahwa band offset kira-kira 60% dari perbedaan energi antara pita konduksi CL dan QDs [40], elektron harus bersantai 86 dan 68 meV untuk sampel 2 dan sampel 3, masing-masing, untuk tersebar dari tingkat energi membatasi lapisan ke tingkat energi terendah dari QD InAs. Energi fonon dari mode LO dan akustik longitudinal (LA) dalam paduan InGaAs adalah 34 dan 9 meV [40, 41]. Untuk proses penghamburan fonon ganda, kombinasi 2 fonon LO pada sampel 3 dapat memenuhi penghamburan elektron dari CLs ke QDs sedangkan 2 fonon LO ditambah 1 fonon LO atau 2 LA diperlukan untuk sampel 2. Telah ditunjukkan bahwa tingkat relaksasi elektron sangat berkurang ketika lebih banyak mode fonon terlibat dalam beberapa proses hamburan fonon [42,43,44,45]. Oleh karena itu, laju relaksasi elektron dalam sampel 3 lebih besar daripada pada sampel 2, yang menjelaskan intensitas PL yang jauh lebih tinggi dari QDs dalam sampel 3. Sebenarnya, penurunan konten dalam CL SSL dan efek hambatan fonon yang melemah di proses relaksasi pembawa adalah alasan utama untuk peningkatan intensitas PL dari QD dalam sampel 3.
Untuk memverifikasi lebih lanjut efek relaksasi pembawa yang ditingkatkan yang disebabkan oleh CL SSL, spektrum PL yang bergantung pada daya eksitasi diperoleh pada 300 K. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3a, b, dan c, intensitas PL dari CL (Puncak 1) dan InAs Puncak QD (Puncak 2) meningkat secara bertahap dengan peningkatan daya eksitasi, dan tidak ada pergeseran yang jelas dari posisi puncak yang dapat diamati. Terlihat jelas bahwa intensitas Puncak 1 jauh lebih kuat daripada Puncak 2 pada sampel 1 dan 2 seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3a dan b pada daya eksitasi yang lebih tinggi, sedangkan sampel 3 menunjukkan emisi QD yang jauh lebih kuat di semua eksitasi yang diukur jangkauan daya. Rasio intensitas PL dari Puncak 2 dan Puncak 1 dari sampel-sampel ini sebagai fungsi dari daya eksitasi dirangkum dalam Gambar 3d. Pada daya eksitasi 2000 mW, rasio intensitas PL Puncak 2 dan Puncak 1 ditemukan masing-masing 0,21 dan 0,29 sesuai dengan sampel 1 dan 2, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3d. Ini menunjukkan bahwa banyak pembawa bergabung kembali dalam InGaAs CL dan relaksasi pembawa dari lapisan penutup ke InAs QD sangat terhambat karena tingkat relaksasi pembawa yang tidak efisien. Dibandingkan dengan sampel 1, rasio intensitas lapisan Puncak 2 ke Puncak 1 dalam sampel 2 mungkin dikaitkan dengan kepadatan titik yang lebih tinggi yang dicapai oleh lebih banyak pusat nukleasi yang disebabkan oleh In0,18 Ga0,82 Sebagai lapisan penyangga [24]. Intensitas Puncak 2 dalam sampel 3 adalah sekitar 2,1 kali lebih kuat daripada Puncak 1 pada daya eksitasi 2000 mW, menunjukkan efisiensi relaksasi pembawa yang jauh lebih baik dalam QD InAs yang dibatasi SSL. Selain itu, ditemukan bahwa meskipun rata-rata kandungan In sekitar 25% pada lapisan capping SSL yang lebih kecil dari 33% pada CL sampel 1 dan 2, panjang gelombang emisi puncak 1 (pada ~1337 nm) dalam sampel 3 sedikit lebih panjang dari itu (pada ~ 1310 nm) untuk sampel 1 dan 2. Kami percaya bahwa alasan utama yang bertanggung jawab atas hasil tersebut adalah berkurangnya efek kurungan kuantum pada lapisan SSL yang jauh lebih tebal (10 nm) dibandingkan dengan 6-nm Lapisan pembatasan InGaAs.
Pengukuran PL tergantung daya. Spektrum PL yang bergantung pada daya suhu kamar diukur pada 20–2000 mW dari a contoh 1, b sampel 2, dan c sampel 3, masing-masing. d Radio intensitas Puncak 2/Puncak 1 versus daya pemompaan dalam sampel 1, 2, dan 3.
Berdasarkan sifat optik baik yang diperoleh dalam QD InAs/GaAs yang dibatasi SSL, kami selanjutnya mendemonstrasikan penerapannya sebagai QD-SESAM untuk pembangkitan pulsa femtosecond. 1550 nm SSL capped InAs/GaAs QD-SESAM terdiri dari satu lapisan SSL capped InAs/GaAs QDs sebagai lapisan penyerapan dan cermin DBR bawah yang terbuat dari 31 periode GaAs yang tidak didoping (115 nm) dan Al0,98 Ga0,02 Sebagai (134 nm) lapisan. Struktur rinci QD-SESAM diilustrasikan oleh gambar TEM penampang seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4. Rata-rata kerapatan titik QD di lapisan penyerapan diperkirakan 4,4 × 10
10
cm
-2
, dan tinggi rata-rata dan ukuran lateral titik masing-masing adalah 7,5 dan 40 nm seperti yang terlihat pada gambar AFM pada Gambar. 4. SESAM dicirikan dengan pengaturan detektor kembar seimbang yang khas [46] dan intensitas saturasi 13,7 MW /cm
2
dan kedalaman modulasi nonlinier 1,6% tercapai. Seperti yang digambarkan pada Gbr. 4, dengan QD-SESAM dimasukkan ke dalam rongga laser EDF, kami telah membuat laser yang dikunci mode secara pasif. Dengan serat mode tunggal standar 23,75 m dan EDF 0,75 m sebagai media penguatan, panjang rongga yang diperoleh adalah 24,5 m. Dioda laser DFB semikonduktor (LD) yang memancarkan pada 980 nm berfungsi sebagai sumber pompa, dan multiplexer divisi panjang gelombang (WDM) 980/1550 nm digunakan untuk menggabungkan energi pompa ke dalam rongga laser serat. Isolator independen polarisasi (PI-ISO) dan pengontrol polarisasi (PC) digunakan untuk memastikan transmisi cahaya satu arah dan mengoptimalkan status penguncian mode di rongga, masing-masing. Port 1 dari optical circulator (CIR) 1550-nm terhubung ke PC, Port 2 terhubung ke QD-SESAM, dan Port 3 dari CIR ini terhubung ke 10/90 output coupler (OC) (10% output dan 90% masukan).
Penyiapan eksperimental laser serat mode-terkunci dengan 1550-nm QD-SESAM. Inset:gambar TEM penampang QD-SESAM dan 1 × 1 μm
2
Gambar AFM dari QD 1550-nm
Perilaku penguncian mode dapat dicapai ketika daya pompa lebih tinggi dari 50 mW. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5a, daya keluaran laser yang dikunci mode ini meningkat secara linier dengan peningkatan daya pompa dan efisiensi kemiringan sekitar 4,82% ditentukan oleh perlakuan pemasangan linier. Seperti yang disajikan pada Gambar. 5b, spektrum khas soliton konvensional dengan bandwidth 3 dB 3,2 nm diamati. Panjang gelombang pusat adalah 1556 nm. Spektrum RF dengan tingkat pengulangan 8,16 MHz ditunjukkan pada Gambar 5c, sesuai dengan panjang rongga 24,5 m. Rasio signal-to-noise sekitar 51 dB, menunjukkan potensi besar untuk mencapai operasi penguncian mode yang stabil dengan QD-SESAM pembatasan SSL. Pengukuran penguncian mode stabil lama dioperasikan pada daya pompa ambang 50 mW, dan lebih dari 1 minggu operasi berkelanjutan yang stabil tercapai. Gambar 5d adalah jejak autokorelasi yang dilengkapi dengan profil pemasangan Gaussian, yang menggambarkan durasi pulsa sebenarnya sekitar 920 fs. Sebagai perbandingan, dengan QD-SESAM berdasarkan struktur seperti pada sampel 2 yang menunjukkan intensitas saturasi 15,7 MW/cm
2
dan kedalaman modulasi nonlinier 0,4%, dan laser yang dikunci mode menghasilkan pulsa dengan lebar 2,7 ps [47]. Durasi pulsa yang jauh berkurang yang dicapai dengan QD yang dibatasi SSL berbasis QD-SESAM dapat dianggap berasal dari kedalaman modulasi yang meningkat, dan kami percaya bahwa peningkatan efisiensi relaksasi operator yang disebabkan oleh lapisan pembatasan SSL menyumbang penurunan intensitas saturasi. Selain itu, lima QD-SESAM bertutup SSL lainnya telah dipilih untuk membangun laser serat mode-locked, dan semua laser mode-locked telah menunjukkan stabilitas jangka panjang, yang menunjukkan pengulangan dan keandalan SESAM yang tinggi.
Karakteristik mode-locked laser serat yang dikembangkan. a Daya keluaran versus daya pompa. b Spektrum optik keluaran. c Spektrum RF dari laser serat mode-terkunci. d Jejak autokorelasi
Kesimpulan
Kesimpulannya, QD InAs/GaAs yang dirancang untuk aplikasi 1550 nm ditumbuhkan dengan teknik MBE dengan lapisan paduan InGaAs dan SSL, masing-masing, sebagai lapisan penutup untuk QD. Dengan karakterisasi spektroskopi PL yang bergantung pada suhu dan daya, terungkap bahwa offset pita konduksi struktur CL dan QD dimodifikasi dari 86 meV menjadi 68 meV dengan mengubah In0,33 Ga0,67 Sebagai paduan CL ke (Dalam0,20 Ga0,80 Sebagai/Dalam0,30 Ga0,70 Sebagai)5 SSL CL, dan hamburan pembawa yang melibatkan banyak fonon yang lebih efisien tercapai, yang menyebabkan lebih banyak pembawa yang bergabung kembali secara radiasi dalam struktur QD dan emisi yang dihasilkan secara signifikan meningkat pada 1550 nm. QD-SESAM yang ditumbuhkan dengan InAs/GaAs QD yang dibatasi SSL menunjukkan intensitas saturasi yang jauh lebih baik sebesar 13,7 MW/cm
2
dan kedalaman modulasi nonlinier 1,6%, dan durasi pulsa 920 fs dicapai dalam laser serat mode-terkunci yang beroperasi pada 1556 nm yang dibuat dengan QD-SESAM. QD-SESAM yang dikembangkan dengan desain SSL sebagai CL untuk QD akan membuka jalan baru menuju laser ultracepat berkinerja tinggi.
Ketersediaan Data dan Materi
Kumpulan data yang dihasilkan dan/atau dianalisis selama studi saat ini tersedia sepenuhnya tanpa batasan dari penulis terkait atas permintaan yang wajar.
