SESAM Titik Kuantum InAs/GaAs 1550-nm Berkinerja Tinggi dengan Tutup Superlattice Pendek untuk Laser Serat Femtodetik

Abstrak

Titik kuantum (QD) III–V InAs/GaAs berdimensi rendah telah berhasil diterapkan pada cermin penyerap dapat saturasi semiconductor (SESAM) yang bekerja pada rentang panjang gelombang 900–1310 nm untuk aplikasi laser pulsa ultracepat, berkat lebar bandwidth, fleksibilitas panjang gelombang, dan fluensi saturasi yang rendah. Namun, sangat sulit untuk mendapatkan SESAM titik kuantum berkinerja tinggi yang bekerja pada rentang panjang gelombang yang lebih panjang sekitar 1550 nm karena hambatan besar dalam pertumbuhan epitaksi struktur titik kuantum. Dalam penelitian ini, untuk pertama kalinya, terungkap bahwa, pada sistem titik kuantum InAs/GaAs yang dirancang untuk rentang emissi cahaya 1550 nm, proses relaksasi carrier yang sangat lemah dari lapisan tutup (CL) ke titik kuantum adalah terutama bertanggung jawab atas performa emissi yang buruk. Berdasarkan itu, kami telah mengembangkan superlattice pendek (In₀.₂₀Ga₀.₈₀As/In₀.₃₀Ga₀.₇₀As)₅ sebagai CL untuk titik kuantum dan telah mewujudkan emissi sekitar 10 kali lebih kuat pada 1550 nm dibandingkan dengan CL InGaAs konvensional. Berdasarkan struktur titik kuantum yang dikembangkan, SESAM titik kuantum berkinerja tinggi telah berhasil dicapai, menunjukkan intensitas saturasi yang sangat kecil sebesar 13,7 MW/cm² dan kedalaman modulasi nonlinier yang besar sebesar 1,6 %, secara bersamaan, yang memungkinkan pembangunan laser serat mode-locked femtodetik 1550 nm dengan stabilitas kerja jangka panjang yang excellent.

Pendahuluan

Laser pulsa femtodetik mode-locked 1550 nm memiliki aplikasi luas dalam komunikasi optik, optika ultracepat, dan optika nonlinier karena daya puncak tinggi, efek termal rendah, dan energi pulsa tinggi [1,2,3,4,5]. Penyerap dapat saturasi (SA) dengan lebar bandwidth optik luas, waktu respons cepat, dan properti kehilangan rendah adalah komponen optik kritis untuk laser pulsa sangat pendek 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 grafen, insulator topologis, fosfor hitam, dan dalkogenida logam transisi telah menarik banyak perhatian untuk aplikasinya sebagai SA untuk laser pulsa femtodetik mode-locked [14,15,16,17,18,19,20,21]. Namun, ambang kerusakan rendah dan stabilitas kerja buruk mereka telah secara parah menghambat aplikasi luas mereka [22, 23]. SESAM berbasis sumur kuantum (QW) dianggap sebagai kandidat komersial untuk laser ultracepat mode-locked karena repeatabilitas tinggi dan stabilitas operasi yang excellent, tetapi lebar bandwidth operasi yang sempit dan kedalaman modulasi kecil masih menjadi hambatan besar dalam mewujudkan pulsa ultradekat femtodetik [24].

Baru-baru ini, dilengkapi dengan lebar bandwidth operasi luas dan waktu pemulihan carrier cepat [25,26,27,28,29,30,31], titik kuantum (QD) InAs yang ditumbuhkan sendiri melalui mode Stranski-Krastanow telah muncul sebagai pilihan excellent untuk SESAM dalam membangun laser pulsa mode-locked. Untuk mencapai panjang gelombang kerja sekitar 1550 nm, QW InGaAsP berbasis InP biasanya digunakan. Jarak band QD InGaAs berbasis GaAs dapat secara umum direkayasa untuk mencakup rentang spektral dari 980 hingga 1310 nm, dan panjang gelombang yang lebih panjang dari 1310 nm memerlukan kandungan indium yang jauh lebih tinggi dalam lapisan tutup (CL) titik kuantum. Legasi kuaternion InGaAsSb (InGaNAs) dan CL InGaAs dengan % In yang sangat tinggi (> 30 %) telah digunakan untuk merekayasa jarak band titik kuantum menuju panjang gelombang 1550 nm [32, 33]. Namun, lapisan tutup legasi kuaternion secara signifikan menyulitkan proses pertumbuhan epitaksi, dan kandungan In yang tinggi dalam CL InGaAs menurunkan kualitas kristal dan optik titik kuantum, yang memperkenalkan lebih banyak pusat rekombinasi nonradiatif. Emisi 1550 nm telah diperoleh dengan titik kuantum InAs/GaAs yang ditumbuhkan pada substrat metamorfik, tetapi keandalan dan repeatabilitas yang buruk tetap menjadi masalah parah untuk teknik tersebut [34]. Dalam penelitian kami sebelumnya, titik kuantum InAs/GaAs asimetris yang bekerja pada 1550 nm telah dibuat, dengan demikian osilator kaca domp Er yang mode-locked telah dicapai dengan lebar pulsa 2 ps [24]. Dan baru-baru ini, SESAM titik kuantum 1550 nm dengan struktur InAs/GaAs yang dicap InGaAs telah dibuat, dengan demikian laser serat domp erbium (EDF) yang Q-switched pasif dual-panjang gelombang telah dicapai [35]. Namun, performa laser yang diperoleh terbatas karena kedalaman modulasi kecil sebesar 0,4% dari SESAM titik kuantum ini. Oleh karena itu, sangat diinginkan untuk mengeksplorasi teknik baru untuk mengoptimalkan struktur titik kuantum InAs/GaAs 1550 nm dengan tujuan meningkatkan kedalaman modulasi dari SESAM titik kuantum tersebut.

Dalam penelitian ini, kami telah menumbuhkan berbagai struktur titik kuantum InAs/GaAs yang dirancang untuk SESAM yang bekerja pada rentang 1550 nm, dengan CL legasi InGaAs dan CL superlattice pendek (SSL) InGaAs, masing-masing, dan menyelidiki secara menyeluruh properti optik mereka. Karakterisasi spektroskopi luminesensi fotoluminesensi (PL) menunjukkan emisi cahaya yang sangat lemah pada suhu ruangan (RT) pada panjang gelombang sekitar 1550 nm, yang tidak dapat diamati pada suhu di bawah 250 K. Fenomena ini sangat berbeda dengan perilaku bergantung pada suhu yang dikenal dari sistem titik kuantum, yaitu, intensitas PL lebih kuat pada suhu lebih rendah, yang menjadi sangat lemah atau bahkan tidak teramati pada RT karena eksitasi termal carrier yang terbatas dalam titik kuantum. Fenomena abnormal yang diamati dalam titik kuantum InAs/GaAs 1550 nm dapat disebabkan oleh proses relaksasi carrier yang lemah dari CL ke titik kuantum, yang dapat secara signifikan dikurangi dengan menumbuhkan CL SSL untuk titik kuantum. Struktur SSL menyediakan banyak mode fonon dengan densitas getaran yang besar, yang secara efektif meningkatkan relaksasi carrier dari CL ke titik kuantum. Oleh karena itu, emisi 1550 nm sekitar 10 kali lebih kuat dibandingkan titik kuantum yang dicap non-SSL diamati. Dinamika carrier yang unggul dalam titik kuantum 1550 nm memberi SESAM titik kuantum performa penyerapan dapat saturasi yang tinggi, yang muncul sebagai intensitas saturasi yang sangat kecil sebesar 13,7 MW/cm² dan kedalaman modulasi nonlinier yang lebih besar sebesar 1,6 % yang 4 kali nilai yang dilaporkan dalam [24, 35]. Berkat performa tinggi dari SESAM titik kuantum dengan CL SSL, kami telah berhasil membangun laser EDF dan mencapai lasing mode-locked stabil pada 1556 nm, dengan durasi pulsa 920 fs.

Metode

Pertumbuhan MBE dari Titik Kuantum InAs/GaAs

Tiga struktur titik kuantum InAs/GaAs ditumbuhkan dengan teknik epitaksi balok molekuler (MBE). Semua sampel terdiri dari tiga periode lapisan titik, masing-masing ditumbuhkan sendiri dari 2,9 lapisan monolit (ML) InAs. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, pada sampel 1 dan 2, titik kuantum InAs ditumbuhkan pada GaAs dan lapisan penahan (BL) 1-nm In₀.₁₈Ga₀.₈₂As, masing-masing, dan semua dicap dengan lapisan 6-nm tebal In₀.₃₃Ga₀.₆₇As. Untuk sampel 3, 2,9 ML titik kuantum InAs juga ditumbuhkan pada BL 1-nm tebal In₀.₁₈Ga₀.₈₂As tetapi dicap dengan SSL 10-nm tebal yang terdiri dari 5 periode lapisan In₀.₂₀Ga₀.₈₀As (1 nm) dan In₀.₃₀Ga₀.₇₀As (1 nm). Suhu pertumbuhan dan laju pertumbuhan titik kuantum InAs adalah 510 °C dan 0,01 ML/s, masing-masing. SESAM titik kuantum dibuat dengan menumbuhkan satu struktur lapisan titik pada Reflektor Bragg Terdistribusi (DBR) bawah yang terdiri dari 31 pasang lapisan GaAs (115 nm) dan Al₀.₉₈Ga₀.₀₂As (134 nm) yang tidak didop. Suhu pertumbuhan untuk GaAs dan InGaAs adalah 565 dan 530 °C, masing-masing.

Metode Karakterisasi

Pengukuran PL dilakukan pada rentang suhu yang bervariasi dari 11 hingga 300 K dengan laser padat 532-nm. Struktur kristal sampel titik kuantum ini dikarakterisasi dengan difraksi X-ray resolusi tinggi menggunakan garis emisi Cu Kα. Morfologi struktur titik kuantum diperiksa dengan teknik mikroskop gaya atom (AFM) dalam kondisi udara dengan mode nonkontak pada sistem AFM SPM Nanoscope Dimension™ 3100. Citra mikroskop transmisi elektron (TEM) diperoleh pada mikroskop JEOL-2010 200 KeV.

Hasil dan Pembahasan

Gambar 2a, b, dan c menunjukkan spektrum PL bergantung pada suhu dari sampel 1, 2, dan 3, masing-masing, yang diperoleh pada suhu yang bervariasi dari 11 hingga 300 K dengan daya eksitasi 200 mW. Ini mengungkapkan dua puncak PL karakteristik, puncak sempit yang terletak pada daerah panjang gelombang pendek dan puncak lebar pada panjang gelombang panjang. Puncak sempit yang berada pada sekitar 1170 nm pada 11 K dan sekitar 1280 nm pada 300 km berasal dari luminesensi dari CL, sementara puncak lebar pada sekitar 1550 nm pada 300 K dikaitkan dengan emisi titik kuantum. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2a, pada suhu rendah, hanya emisi CL yang dapat diamati, dan emisi pada sekitar 1550 nm dari titik kuantum InAs mulai muncul ketika suhu meningkat hingga 250 K dan menjadi semakin kuat dengan peningkatan suhu yang lebih lanjut. Perilaku serupa juga diamati pada sampel 2 seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2b. Secara umum, untuk struktur titik kuantum InAs/GaAs yang dirancang untuk emisi panjang gelombang yang lebih pendek (misalnya, 1300 nm), emisi dari titik kuantum mendominasi spektrum PL pada suhu rendah, dan emisi dari CL atau lapisan basah hampir tidak dapat diamati. Ini karena tingkat energi yang lebih rendah dari struktur titik kuantum dan peningkatan termal yang berkurang dari carrier dari titik kuantum pada suhu rendah [36]. Dengan peningkatan suhu, intensitas emisi titik kuantum berkurang secara bertahap karena peningkatan peningkatan termal dari carrier dari titik kuantum. Dalam kontras yang luar biasa dengan titik kuantum InAs/GaAs yang dirancang untuk aplikasi 1310 nm, sampel kami untuk 1550 nm menunjukkan perilaku bergantung pada suhu emisi cahaya yang sepennya berlawanan, yang menunjukkan dinamika carrier yang berbeda dalam sistem titik kuantum baru ini. Seperti digambarkan pada Gambar 2e, jarak band titik kuantum jauh lebih sempit dibandingkan jarak band CL dan tingkat energi terendah untuk elektron dan lubang semuanya berada dalam struktur titik kuantum, dan oleh karena itu diharapkan bahwa carrier yang dihasilkan foto mungkin lebih sudi tinggal dalam titik kuantum setelah melegakan energi berlebih mereka. Namun, hasil PL yang diamati adalah emisi CL mendominasi PL dan emisi titik kuantum tidak terlihat pada suhu di bawah 250 K, yang mengungkapkan bahwa, pada suhu rendah, carrier yang dihasilkan foto terutama tertangkap dalam CL daripada dalam titik kuantum. Fakta ini dapat dijelaskan oleh efek pemblokiran relaksasi carrier yang parah di mana terlalu sedikit fonon yang berpartisipasi dalam proses pencaran carrier, menghasilkan efesi relaksasi carrier yang rendah dari CL ke titik kuantum. Dengan peningkatan suhu, lebih banyak populasi fonon secara termal diangsulkan dan interaksi fonon dengan carrier yang dihasilkan foto secara bertahap ditingkatkan, yang mengarah pada lebih banyak carrier yang dicar dari CL ke titik kuantum. Intensitas PL terkuat dari emisi titik kuantum pada 1550 nm yang muncul pada RT menunjukkan bahwa proses relaksasi energi carrier dari CL ke titik kuantum mendominasi proses peningkatan termal dari titik kuantum ke CL.

Karakterisasi PL dari sampel 1 dan 2 mengungkapkan bahwa, dalam sistem titik kuantum InAs/GaAs yang dirancang untuk aplikasi 1550 nm, ada karakteristik relaksasi carrier yang tidak efesi dan densitas fonon yang lebih besar mendukung relaksasi carrier ke titik kuantum. Secara esensial, proses relaksasi carrier yang lemah akarnya pada struktur band elektron yang ditentukan oleh CL. Bahan titik kuantum di mana offset band mereka jauh lebih besar dari energi fonon optik longitudinial (LO) dari CL dan carrier dalam CL harus relaks ke tingkat titik kuantum melalui emisi beberapa fonon bukan hanya satu. Proses relaksasi carrier yang lemah tidak dapat dihilangkan dalam titik kuantum InAs/GaAs untuk 1550 nm karena offset band yang jauh lebih besar dalam struktur band CL dan titik kuantum, tetapi kita dapat memodifikasi proses pencaran beberapa fonon melalui penyesuaian struktur band elektron serta struktur band fonon. Untuk mencapai tujuan ini untuk meningkatkan relaksasi carrier dalam titik kuantum 1550 nm, kami telah menggunakan struktur SSL (In₀.₂₀Ga₀.₈₀As/In₀.₃₀Ga₀.₇₀As)₅ sebagai CL untuk menggantikan CL InGaAs. CL SSL diharapkan menyediakan lebih banyak mode getaran fonon dan densitas fonon yang jauh lebih besar karena efek lipasan zona Brillouin dalam SSL [37]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1c, sampel 3 ditumbuhkan dengan struktur yang sama seperti sampel 2 kecuali penggunaan lima periode SSL 10-nm tebal In₀.₂₀Ga₀.₈₀As/In₀.₃₀Ga₀.₇₀As sebagai CL. Gambar 2d menunjukkan pola XRD yang diperoleh untuk sampel 1, 2, dan 3. Semua sampel menunjukkan puncak kuat pada 66,1°, yang dapat ditetapkan ke difraksi dari bidang (008) GaAs kubik. Puncak satelit yang jelas yang timbul dari struktur CL 6-nm tebal In₀.₃₃Ga₀.₆₇As diamati pada sekitar 64,0° untuk sampel 1 dan 2. Pemeriksaan lebih lanjut mengungkapkan bahwa SSL In₀.₂₀Ga₀.₈₀As/In₀.₃₀Ga₀.₇₀As dalam sampel 3 menunjukkan puncak satelit pada sekitar 64,4°, dan pergeseran ke arah derajat yang lebih besar dibandingkan dengan CL In₀.₃₃Ga₀.₆₇As menunjukkan penurunan kandungan In rata-rata [38, 39]. Untuk memahami efek CL SSL terhadap properti optik titik kuantum InAs/GaAs, spektrum PL 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 titik kuantum InAs/GaAs yang dapat diamati pada suhu di bawah 200 K dan emisi menjadi semakin intens dengan peningkatan suhu yang lebih tinggi. Perlu dicatat bahwa puncak emisi titik kuantum pada 1550 nm dalam sampel 3 muncul pada suhu yang jauh lebih rendah yaitu 200 K (sekitar 250 K untuk sampel 1 dan 2). Intensitas relatifnya terhadap emisi CL pada RT jauh lebih tinggi dibandingkan sampel 1 dan 2, dan intensitas PL-nya sekitar 10 kali lebih kuat dibandingkan sampel 2. Hasil ini menunjukkan bahwa CL SSL sangat meningkatkan relaksasi carrier dari CL ke titik kuantum, yang mengarah pada rekombinasi radiatif yang sangat ditingkatkan dalam titik kuantum. Alasan yang menyebabkan peningkatan relaksasi carrier dari CL ke titik kuantum terletak pada kualitas CL SSL yang baik dengan kandungan indium yang menurun. Ini secara efektif memodulasi perilaku relaksasi carrier dan meningkatkan tangkapan carrier oleh titik kuantum.

Untuk mendapatkan wawasan lebih dalam tentang proses pencaran carrier yang diprakarsyai oleh beberapa fonon, struktur band dari sistem titik kuantum InAs/GaAs dengan berbagai jenis CL dibandingkan. Untuk tujuan kesederhanaan, perbedaan energi antara jarak band CL dan titik kuantum dapat diperkirakan sebagai perbedaan energi puncak PL mereka. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2e dan f, perbedaan jarak band dalam sampel 2 dan 3 antara CL dan titik kuantum InAs pada 300 K ditetapkan sebagai 143 dan 114 meV, masing-masing, sesuai pengukuran PL. Dengan asumsi bahwa offset band sekitar 60 % dari perbedaan energi antara konduksi band CL dan titik kuantum [40], elektron harus relaks 86 dan 68 meV untuk sampel 2 dan sampel 3, masing-masing, untuk dicar dari tingkat energi CL ke tingkat energi terendah titik kuantum InAs. Energi fonon dari mode LO dan akustik longitudinial (LA) dalam legasi InGaAs adalah 34 dan 9 meV [40, 41]. Untuk proses pencaran beberapa fonon, kombinasi 2 fonon LO dalam sampel 3 dapat memenuhi pencaran elektron dari CL ke titik kuantum sementara 2 fonon LO ditambah 1 fonon LO atau 2 fonon LA diperlukan untuk sampel 2. Telah terbukti bahwa laju relaksasi elektron sangat terkurang ketika lebih banyak mode fonon terlibat dalam proses pencaran beberapa fonon [42,43,44,45]. Oleh karena itu, laju relaksasi elektron dalam sampel 3 lebih besar daripada dalam sampel 2, yang merupakan alasan intensitas PL yang sangat ditingkatkan dari titik kuantum dalam sampel 3. Faktanya, kandungan In yang menurun dalam CL SSL dan efek bottleneck fonon yang melemah dalam proses relaksasi carrier adalah alasan utama intensitas PL yang ditingkatkan dari titik kuantum dalam sampel 3.

Untuk memverifikasi lebih lanjut efek relaksasi carrier yang ditingkatkan yang disebabkan oleh CL SSL, spektrum PL bergantung pada daya eksitasi diperoleh pada 300 K. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3a, b, dan c, intensitas PL puncak CL (Puncak 1) dan titik kuantum InAs (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 dalam sampel 1 dan 2 seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3a dan b pada daya eksitasi yang lebih tinggi, sementara sampel 3 menunjukkan emisi titik kuantum yang jauh lebih kuat dalam semua rentang daya eksitasi yang diukur. Rasio intensitas PL Puncak 2 dan Puncak 1 dari sampel ini sebagai fungsi daya eksitasi diringkas dalam Gambar 3d. Pada daya eksitasi 2000 mW, rasio intensitas PL Puncak 2 dan Puncak 1 ditemukan sebesar 0,21 dan 0,29 yang sesuai dengan sampel 1 dan 2, masing-masing, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3d. Ini menunjukkan bahwa banyak carrier merekombinasi dalam CL InGaAs dan relaksasi carrier dari lapisan tutup ke titik kuantum InAs sangat terhalang karena laju relaksasi carrier yang tidak efesi. Dibandingkan dengan sampel 1, rasio intensitas Puncak 2 terhadap Puncak 1 dalam sampel 2 mungkin disebabkan oleh densitas titik yang lebih tinggi yang dicapai oleh lebih banyak pusat inti yang disebabkan oleh lapisan penahan In₀.₁₈Ga₀.₈₂As [24]. Intensitas Puncak 2 dalam sampel 3 sekitar 2,1 kali lebih kuat daripada Puncak 1 pada daya eksitasi 2000 mW, yang menunjukkan efesi relaksasi carrier yang sangat ditingkatkan dalam titik kuantum InAs yang dicap SSL. Selain itu, ditemukan bahwa meskipun kandungan In rata-rata sekitar 25 % dalam lapisan tutup SSL yang lebih kecil dari 33 % dalam CL sampel 1 dan 2, panjang gelombang emisi puncak 1 (pada ~1337 nm) dalam sampel 3 sedikit lebih panjang daripada itu (pada ~ 1310 nm) untuk sampel 1 dan 2. Kami percaya bahwa alasan utama yang menyebabkan hasil ini adalah efek pengawasan kuantum yang dikurangi dalam lapisan SSL yang jauh lebih tebal (10 nm) dibandingkan dengan lapisan tutup InGaAs 6-nm.

Berdasarkan properti optik yang baik yang diperoleh dalam titik kuantum InAs/GaAs yang dicap SSL, kami lebih lanjut mendemonstrasikan aplikasinya sebagai SESAM titik kuantum untuk pembuatan pulsa femtodetik. SESAM titik kuantum InAs/GaAs 1550 nm yang dicap SSL terdiri dari satu lapisan titik kuantum InAs/GaAs yang dicap SSL sebagai lapisan penyerap dan cermin DBR bawah yang dibuat dari 31 periode lapisan GaAs (115 nm) dan Al₀.₉₈Ga₀.₀₂As (134 nm) yang tidak didop. Struktur rinci SESAM titik kuantum diilustrasikan oleh citra TEM potongan melintang seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Densitas titik rata-rata titik kuantum dalam lapisan penyerap diperkirakan sebesar 4,4 × 10¹⁰ cm⁻², dan tinggi rata-rata serta ukuran sisi titik adalah 7,5 dan 40 nm masing-masing seperti yang terlihat pada citra AFM pada Gambar 4. SESAM dikarakterisasi dengan pengaturan detektor kembar seimbang yang khas [46] dan intensitas saturasi sebesar 13,7 MW/cm² dan kedalaman modulasi nonlinier sebesar 1,6 % dicapai. Seperti digambarkan pada Gambar 4, dengan SESAM titik kuantum dimasukkan ke dalam ruang laser EDF, kami telah membangun laser mode-locked pasif. Dengan serat tunggal mode standar 23,75 m dan EDF 0,75 m sebagai medium gain, ruang yang didapatkan berpanjang 24,5 m. Diod laser DFB semiconductor (LD) yang memancarkan pada 980 nm berfungsi sebagai sumber pompa, dan pemultiplek pembagian panjang gelombang (WDM) 980/1550 nm digunakan untuk memasang energi pompa ke dalam ruang laser serat. Isolator independen polarisasi (PI-ISO) dan pengontrol polarisasi (PC) digunakan untuk memastikan transmisi satu arah cahaya dan mengoptimalkan status mode-locking dalam ruang, masing-masing. Port 1 dari cangkir optik 1550 nm (CIR) terhubung ke PC, Port 2 terhubung ke SESAM titik kuantum, dan Port 3 dari CIR ini terhubung ke pemutus keluaran 10/90 (OC) (10% keluaran dan 90% masukan).

Perilaku mode-locking dapat dicapai ketika daya pompa lebih tinggi dari 50 mW. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5a, daya keluaran laser mode-locked ini meningkat secara linier dengan peningkatan daya pompa dan efesi lereng sekitar 4,82% ditentukan oleh perlakuan pemasangan linier. Seperti yang disajikan pada Gambar 5b, spektrum soliton konvensional yang khas dengan bandwidth 3-dB 3,2 nm diamati. Panjang gelombang pusat adalah 1556 nm. Spektrum RF dengan laju ulang 8,16 MHz ditunjukkan pada Gambar 5c, yang sesuai dengan panjang ruang 24,5 m. Rasio sinis-ke-bising sekitar 51 dB, yang menunjukkan potensi besar untuk mencapai operasi mode-locking stabil dengan SESAM titik kuantum yang dicap SSL. Pengukuran mode-locking stabil jangka panjang dilakukan pada daya pompa ambang 50 mW, dan operasi kontinu stabil lebih dari 1 minggu telah dicapai. Gambar 5d adalah lacak autokorelasi yang dipasang dengan profil pemasangan Gaussian, yang menggambarkan durasi pulsa nyata sekitar 920 fs. Untuk perbandingan, dengan SESAM titik kuantum berdasarkan struktur seperti dalam sampel 2 yang menunjukkan intensitas saturasi sebesar 15,7 MW/cm² dan kedalaman modulasi nonlinier sebesar 0,4 %, dan laser mode-locked menghasilkan pulsa dengan lebar 2,7 ps [47]. Durasi pulsa yang jauh lebih rendah yang dicapai dengan SESAM titik kuantum yang dicap SSL dapat disebabkan oleh kedalaman modulasi yang ditingkatkan, dan kami percaya bahwa efesi relaksasi carrier yang ditingkatkan yang diinduksi oleh lapisan tutup SSL adalah penyebab penurunan intensitas saturasi. Selain itu, lima SESAM titik kuantum lainnya yang dicap SSL telah dipilih untuk membangun laser serat mode-locked, dan semua laser mode-locked telah menunjukkan stabilitas jangka panjang, dengan demikian repeatabilitas dan keandalan SESAM yang ditunjukkan.

Kesimpulan

Simpulanannya, titik kuantum InAs/GaAs yang dirancang untuk aplikasi 1550 nm ditumbuhkan dengan teknik MBE dengan lapisan legasi InGaAs dan SSL, masing-masing, sebagai lapisan tutup untuk titik kuantum. Dengan karakterisasi spektroskopi PL bergantung pada suhu dan daya, terungkap bahwa offset band konduksi antara struktur CL dan titik kuantum dimodifikasi dari 86 meV turun ke 68 meV dengan mengubah CL legasi In₀.₃₃Ga₀.₆₇As menjadi CL SSL (In₀.₂₀Ga₀.₈₀As/In₀.₃₀Ga₀.₇₀As)₅, dan pencaran carrier beberapa fonon yang lebih efesi sehingga dicapai, yang mengarah pada lebih banyak carrier yang merekombinasi secara radiatif dalam struktur titik kuantum dan emisi yang signifikan ditingkatkan pada 1550 nm. SESAM titik kuantum yang ditumbuhkan dengan titik kuantum InAs/GaAs yang dicap SSL menunjukkan intensitas saturasi yang sangat ditingkatkan sebesar 13,7 MW/cm² dan kedalaman modulasi nonlinier sebesar 1,6%, dan durasi pulsa sebesar 920 fs dicapai dalam laser serat mode-locked yang bekerja pada 1556 nm yang dibangun dengan SESAM titik kuantum. SESAM titik kuantum yang dikembangkan dengan desain SSL sebagai CL untuk titik kuantum akan membuka jalan baru menuju laser ultracepat berkinerja tinggi.

Ketersediaan Data dan Bahan

Data yang dihasilkan dan/atau dianalisis selama studi saat ini sepennya tersedia tanpa batasan dari penulis atas permintaan yang wajar.

Singkatan

2D:

Dua dimensi

AFM:

Mikroskop gaya atom

BL:

Lapisan penahan

CIR:

Cangkir

CLs:

Lapisan tutup

DBR:

Reflektor Bragg Terdistribusi

EDF:

Serat domp erbium

LA:

Akustik longitudinial

LD:

Diod laser

LO:

Optik longitudinial

MBE:

Epitaksi balok molekuler

MLs:

Lapisan monolit

OC:

Pemutus keluaran

PC:

Pengontrol polarisasi

PI-ISO:

Isolator independen polarisasi

PL:

Luminesensi foto

QDs:

Titik kuantum

QW:

Sumur kuantum

RT:

Suhu ruangan

SA:

Penyerap dapat saturasi

SESAMs:

Cermin penyerap dapat saturasi semiconductor

SSL:

Superlattice pendek

TEM:

Mikroskop transmisi elektron

WDM:

Pemultiplek pembagian panjang gelombang