広いチューニング範囲の連続波テラヘルツアプリケーションに向けたInAs / GaAs量子ドットデュアルモード分散フィードバックレーザー

背景

分散フィードバック（DFB）レーザーは、その狭い発光スペクトルと安定した発光波長により、長距離光ファイバー通信およびテラヘルツ（THz）放射における幅広いアプリケーションにとって技術的に重要です[1,2,3]。過去10年間、高性能DFBレーザーを追求するために多大な努力とさまざまな試みが行われ、量子ドット（QD）ベースのDFBレーザーは、低しきい値電流、高量子効率、広帯域波長調整範囲、市販の量子井戸ベースのデバイスに対する高温安定性[4,5,6]。量子ドットレーザー構造における変調pドーピングは、基底状態（GS）が大幅に向上するため、温度安定性[7]や高速変調特性[8]などのQDレーザー性能をさらに向上させる効果的な方法として実証されています。利得。さらに、急速熱アニーリング（RTA）は、エピタキシー成長中に生成される点欠陥と転位の低減により、QDアセンブリの材料品質と光学特性を最適化するもう1つの効率的な方法であることがわかりました。 DFBレーザーの従来の製造プロセスでは、通常、2段階の高品質エピタキシャル成長が必要です[9]。 Stubenrauch etal。高い静的および動的性能を示す1.3μmQDDFBレーザーの製造を報告しました。ただし、ブラッググレーティング構造の製造と下部クラッド層および活性領域のエピタキシー成長後、レーザー構造全体を完成させるために有機金属蒸着（MOCVD）エピタキシャル再成長ステップが必要であり、多くの複雑で不確実な要因につながります[ 1]。再成長プロセスを回避するために、Goshima等。 QDベースの横方向結合分散フィードバック（LC-DFB）レーザー構造を提案しました。これは、グレーティングをリッジ導波路に垂直に深くエッチングすることで実現されましたが、0.03 W / A未満のスロープ効率は低く、サイドモード抑制率（SMSR）は導波管の損失が大きいため、20dBが観測されました[10]。導波路の損失は主にディープエッチングプロセスによるものであり、ドライエッチングまたはウェットエッチングプロセスのいずれかで高アスペクト比（通常は20：1）が必要となる技術的な問題があるため、高品質で均一なグレーティング構造を実現することは非常に困難です。 [11]。したがって、超高性能DFBレーザーを実現するには、最適化されたQDアクティブ領域と改善されたデバイス導波路構造を組み合わせる方法を追跡する必要があります。

テラヘルツ（THz）周波数放射源は、その繁栄している医療、農業、環境、およびセキュリティアプリケーション[12、13]と、コンパクトなサイズで低サイズのTHz放射源の周波数調整可能な連続波（CW）動作で大きな注目を集めています。コストが特に望まれます。最近、テラヘルツ光混合用の光ビート源を開発することを目的として、様々な半導体デュアルモードレーザーが研究されてきた。広い周波数調整は、異なる波長の2つのラインを同時に放射する外部キャビティレーザーを使用することによって実証されています[14、15]。ただし、外部キャビティレーザーシステムの機械的な可動部品は、波長調整に便利でも安定でもありません。 CW THz信号は、わずかに異なる周波数の2つの独立したDFBレーザービームを使用して生成することもできます。この技術は、DFBレーザーダイオードの非常に狭い発光スペクトルと安定した発光波長の恩恵を受けてTHz放射を生成するための優れた選択肢として浮上しています[3、16、17、18]。テラヘルツ光混合について報告されている構成に加えて、単一のDFBレーザーキャビティからの2つの波長可変レーザーラインの同時発光は、そのコンパクトさ、高温安定性、および高いスペクトル品質により非常に魅力的です[3、19]。

この作業では、複数のInAs / GaAs QDレーザー構造を分子線エピタキシー（MBE）で成長させ、QD活性領域にp型変調ドーピングを適用しました。エピタキシー成長後、QDサンプルは成長後のアニーリングプロセスによって処理されました。過成長ステップを回避し、グレーティングエッチングのアスペクト比を下げるために、LC-DFBレーザーは浅いエッチングのグレーティングで製造されました。 pドープQDに基づく浅いエッチングのLC-DFBレーザーは、0.2 W / Aの高い微分効率、47 dBの大きなSMSR、0.092 nm / Kの高い熱安定性dλ/ dTを示します。また、LC-DFBレーザーでは、周期の異なる2組のグレーティングを作製することでデュアルモードレーザー発振が実現し、グレーティング周期を微妙に変更することでレーザー波長を簡単に操作できるため、周波数の広い範囲での調整が可能です。 0.10から14THzまでの2つのレーザーモードの違い。私たちの仕事は、長距離光ファイバー通信およびCWTHz放射源のためのQDベースのLC-DFBレーザーの有望なアプリケーションを示しています。

メソッド

材料の準備と特性評価

InAs / GaAs QDレーザー構造は、MBEシステムによってSiドープGaAs（100）基板上に成長しました。レーザー構造のアクティブ領域は、厚さ33nmのGaAsバリアで分離された8スタックのQD層です。各QD層は、厚さ6nmのInGaAsひずみ低減層で覆われた2.7MLInAで構成されています。そして、アクティブ領域全体が、下部の〜2800 nm n-Al _0.3 のクラッド層に挟まれています。 Ga _0.7 Asおよび上部〜1800 nm p-Al _0.3 Ga _0.7 として。 510°Cの成長温度と0.01ML / sの成長速度でのInAsの堆積。 Beによる変調pドーピングは、各QD層の10nm下のGaAsスペーサー層にある6nm層で行われ、ドーピング濃度はドットあたり25アクセプターに制御されました。 InGa / GaAs QD層の断面透過型電子顕微鏡（TEM）画像を図1aに示します。 InAs / GaAs量子ドットの密度は4×10 ¹⁰ と決定されます。 cm ⁻² 原子間力顕微鏡測定による。 RTA処理はN ₂ で実行されました 700°Cの温度で45秒間周囲温度。 QDサンプルは、アニーリングプロセス中にGaAs近接キャップによって保護されました。

InAs / GaAs QDLC-DFBレーザー構造の概略図と形態。 a InAs / GaAs QDLC-DFBレーザー構造の概略図。挿入図：QD活性層構造の断面TEM画像。 b 一次格子を備えたLC-DFBレーザー構造のSEM画像の上面図。挿入図：グレーティングとリッジ導波路の間の接合部に焦点を合わせた拡大SEM画像

LC-DFBの設計、製造、および特性評価

設計されたLC-DFBレーザー構造の概略図を図1aに示します。この設計アプローチにより、1ラウンドのエピタキシャル成長だけでLC-DFBレーザーを製造でき、光学格子エッチングのアスペクト比が低下します。狭いリッジ導波路の形成とその横方向に結合された格子構造は、2つの処理ステップに分割されます。これは、従来の定義するリソグラフィプロセスとは異なります[1、9、10]。横方向に結合されたグレーティングの製造には浅いエッチングが必要であり、これにより、従来のディープエッチングアプローチで要求されるドライエッチングの高アスペクト比が低下します。さらに、グレーティングを半​​導体にわずか100ナノメートル以上エッチングすることで、1次グレーティングのような非常に小さなフィーチャサイズのグレーティング構造を簡単に実現できるため、THzアプリケーションに向けた独創的なデバイス構造を開発する新しい機会が得られます。

LC-DFBの結合原理を参照すると、グレーティングがリッジに近接していることが、レーザーの性能に大きく影響する重要な要素であることがよく知られています[20]。製造工程では、リッジ導波路を最初に定義した後、電子ビームリソグラフィー（EBL）のサンプルは導波路に対して高さの差があり、フォトレジストはEBL中に側壁の脇に積み重なるため、製造が困難になります。尾根に隣接する格子の形成。不均一なフォトレジストコーティングの問題を解決し、EBLによってパターン化された高品質の格子を形成するために、ポリメチルメタクリレート（PMMA）レジストの厚さは、格子品質を可能にするように最適化された75nmまで薄くなるように慎重に選択されました。平衡点に到達します。 LC-DFBレーザーは、以下の手順で製造されました。まず、75 nmのSiO ₂ 層は、プラズマ化学気相成長法（PECVD）を使用してエピタキシー構造の上に堆積されました。これは、格子の浅いエッチングのエッチング保護層として機能します。リッジ導波路構造は、光リソグラフィーを使用してパターン化され、Cl ₂ のガス混合物を使用した誘導結合プラズマ（ICP）の技術を使用して、約1.75μmの深さまでエッチングされました。 およびBCl ₃ 。導波路構造が定義されたので、上部のp側AlGaAsクラッド層は、QDアクティブ領域の約280nm上で停止されたウェットエッチングによってさらにエッチングされました。その後、サンプルをPMMAレジスト（分子量950 K、厚さ75 nm）でスピンコーティングし、180°Cで90秒間ベークしました。一次格子はEBLによってリッジ導波路に沿って定義され、次にレジスト画像がICPドライエッチングによってAlGaAsに転写されました。 PMMAレジストとAlGaAsのエッチング速度はそれぞれ約5nm / sと10nm / sでした。製造されたLC-DFB構造の走査型電子顕微鏡（SEM）画像を図1bに示します。図1bの挿入図に示されているように、EBL露光量の慎重な選択と、薄いレジストによる大幅に軽減されたフォトレジストスタッキングの恩恵を受けて、グレーティングはレーザーリッジ導波路に緊密にリンクされています。グレーティングのエッチング深さは135nm、グレーティング周期は194nmです。正確かつ広く調整された2波長レイジングを実現するために、リッジ導波路の両側にある横方向のグレーティング用に2つの異なるブラッグ周期が作成されました。リッジ導波路上のオーミック接触層は、75nmの厚さのSiO ₂ によって完全に保護されていました。 ICPエッチングプロセス中にオーミック接触が存続することを保証する保護層。浅くエッチングされたグレーティングは、光との良好な結合を形成するために、QDアクティブ範囲より150nm上になるように制御されました。絶縁と平坦化を目的として、SiO ₂ の別の層 グレーティングをエッチングした後、PECVDでサンプル上に堆積しました。最後に、反応性イオンエッチング（RIE）ドライエッチングを使用して、SiO ₂ のコンタクトウィンドウを開きました。 。次に、Ti / AuとAu / Ge / Ni / Auを堆積させて、それぞれ上部と下部のオーミックコンタクトを形成しました。自己発熱の影響を最小限に抑えるために、基板は約80μmまで薄くされました。長さ1mmと0.45mmのレーザーキャビティが製造され、発光ファセットはコーティングされていません。レーザーバーは、p側を上にして銅製ヒートシンクに取り付けられ、すべての測定はCW操作で実行されました。

結果と考察

図2aは、多重変調pドープQD構造に基づく、製造されたままのLC-DFBレーザーの典型的な電力-電流-電圧（P-I-V）特性を示しています。レーザーは、0.20 W / Aの明らかな高いスロープ効率と33mAの低いしきい値を示しています。これは、QD構造の高い材料品質と高い光学ゲインを示しています。アンドープおよびpドープQDLC-DFBレーザーの温度に対するしきい値電流密度とスロープ効率を、それぞれ図2b、cに示します。しきい値電流密度の特性温度（ T ₀ ）52.3 Kは、図2bに示すように、ドープされていないQD LC-DFBレーザーに対して計算されますが、 T ₀ pドープQDLC-DFBレーザーの場合、特に15〜50°Cの温度範囲で大幅に増加します。この温度範囲では、 T ₀ 観察されます。さらに、この温度範囲では、スロープ効率はほとんど劣化を示さず（ドープされていないQD LC-DFBレーザーでは2.6％の劣化）、スロープ効率の特性温度が無限であることを示しています（ T ₁ ）pドープLC-DFBレーザーの場合も同様です。両方の T の大きな違い ₀ および T ₁ ドープされていないLC-DFBレーザーとpドープされたLC-DFBレーザーの間は、主に、近接したエネルギーレベルでの正孔の熱拡散を大幅に抑制することができる変調pドーピングによる組み込みの過剰正孔によって引き起こされる効果に起因します[21、22 ]。上記の結果に基づいて、pドープQD LC-DFBレーザーが、さらなるレーザースペクトルの特性評価のために選択されました。

LC-DFBレーザーのP–I–Vおよび温度依存特性。 a RTでのpドープLC-DFBレーザーのP–I–V特性。 b 非ドープおよびpドープLC-DFBレーザーのしきい値電流密度の温度依存性。 c 非ドープおよびpドープLC-DFBレーザーのスロープ効率の温度依存性

図3の挿入図は、 I で測定されたキャビティ長1mmのpドープLC-DFBレーザーの発光スペクトルを示しています。 =2 I _th 室温（RT）での注入レベル、および1292.4nmでの単一縦モードレイジングと47dBの非常に大きなSMSRを観察できます。図3は、pドープLC-DFBレーザーの動作温度の関数としての発光波長を示しています。これは、わずか0.092 nm / Kの変動率を示しています。レイジング波長の高温安定性は、屈折率の温度係数とよく一致しており、材料のゲインシフトの約5分の1です。

発光波長の温度依存性。挿入図：2 I で測定されたpドープLC-DFBレーザーの発光スペクトル _th

最近、五島ら。 [10]は、リッジ導波路構造に垂直にエッチングされた深いグレーティングによって製造された1.3μmInAs/ GaAs QD LC-DFBレーザーを報告し、0.03 W / A未満の低いスロープ効率と20dBの小さなSMSRが観察されました。主に、ディープエッチングプロセスによって引き起こされる大きな導波路損失が原因です。浅くエッチングされた格子構造で、Briggs等。 [23]は、25dBのより大きなSMSRを備えたGaSbベースのLC-DFBレーザーの製造に成功しました。しかし、LC-DFBレーザーの性能にとって重要な、グレーティングとリッジ導波路の間の距離が大きいため、結合係数が低くなるため、さらなる改善は制限されていました。私たちの研究では、狭いリッジ導波路とグレーティング構造を別々に製造した結果、リッジ導波路の側壁が非常にシャープで滑らかになり、導波路の損失がほとんどなくなりました。私たちの実験で採用されたグレーティング製造の浅いエッチング方法は、エッチングされたグレーティングのアスペクト比を大幅に低減し、光との良好な結合を保証する高品質の1次グレーティング構造の作成を可能にします。 PMMAレジストの厚さとEBLリソグラフィーパラメータを注意深く制御することにより、リッジの側壁を横切るフォトレジストのスタッキング現象が効果的に軽減され、レーザーリッジ導波路に密接に隣接するグレーティングの形成につながります。さらに、〜4.3×10 ¹⁰ の高いドット密度 cm ⁻² MBEエピタキシー成長パラメーターを最適化することによって得られ、変調pドーピングと成長後アニーリング処理によって実現されるQDアセンブリの高ゲインは、LC-DFBレーザーの大きな47 dBSMSRを説明する可能性があります。

狭い発光スペクトルと高い熱安定性の優れた機能により、長距離光伝送および波長分割多重（WDM）システムですでに実証されている広範なアプリケーションに加えて、LC-DFBレーザーはCWTHz放射を生成するための利点も実証しています。 2つの独立したダイオードレーザーを使用してTHz放射を生成する従来の方法[24、25、26]と比較して、2つのモードを同時に放出するLC-DFBレーザーは、費用効果、コンパクトさ、高い安定性と高いスペクトル品質。量子井戸（QW）レーザーとは対照的に、QDベースのエミッターは、QD構造の2つの独自の機能により、広帯域の調整可能な光源に適しています。第一に、状態密度が低いという性質により、GSレベルが簡単に飽和し、励起状態（ES）がさらに増加し​​ます。第二に、自己組織化QDアンサンブルの広いサイズ分布が量子サイズ効果によって支配される広いスペクトルの発光につながるという事実により、ドットサイズの変化を利用して調整範囲を拡張することができます。

独立して製造された横方向の格子で構成されるLC-DFB構造により、設計されたブラッグ波長を柔軟に定義できます。二重波長レイジングは、ブラッグ周期が異なる2セットのグレーティングを製造することで実現できますɅ ₁ およびɅ ₂ 2つの異なる波長を可能にしますλ ₁ およびλ ₂ 。ここで報告されている方法では、グレーティングの各側に2つの異なるグレーティング周期を定義します。二波長レイジング測定は、CW条件下で実施されました。 SMSRが約40dBの安定した2波長レイジングが観察されました。図4aに示すように、濃いシアン、青、赤、および黒の線は、2つの異なるレイジング波長のレイジングスペクトルを示しています。格子周期差のある1mmLC-DFBレーザーの場合Ʌ ₁ −Ʌ ₂ =0.10 nm、2つのレーザー波長はそれぞれ1292.40および1292.90 nmであり、〜0.10THzの周波数差に対応する0.50nmの波長間隔を生成します。回折格子の周期差を0.64nmに調整することにより、2波長間隔を4.1 nmに拡張できます。これは、0.74THzのうなり周波数に対応します。

デュアルモードLC-DFBレーザーのスペクトル。 a 異なる格子周期の2波長LC-DFBレーザーの発光スペクトル。 b 450μmの超短キャビティ長を備えたLC-DFBレーザーのデュアルモードレーザースペクトルの広い間隔

デュアルモードレーザーのチューニング範囲を広げるために、LC-DFBレーザーのキャビティ長を慎重に450 µmに短縮しました。これにより、GSゲインの飽和と人口の増加の影響により、GSとESのレーザーが同時に発生します。 ES。 LC-DFBレーザー構造は、それぞれ182nmと194nmの2つの異なるブラッグ周期で構成されています。これは、以前のレポート[27、28]で説明されているものと似ています。図4bに示すように、2つの縦モードは、14THzの周波数差に対応する73.4nmの大きな波長分離を示します。リッジ導波路の横方向に2つの異なる周期格子を実装し、キャビティ長を微妙に短くしてESレーザー発振を可能にすることにより、InAs / GaAs QDベースのレーザーダイオードは、0.10に対応する0.5〜73.4nmの非常に広い調整可能な波長間隔のデュアルレーザー発振ラインを放射できます。 –14THz周波数差。 2つの別々のレーザーに基づくTHzフォトミキシングの他のタイプの提案されたスキームと比較して、私たちのデバイスは、シンプルな構造、コンパクトなサイズ、低い製造コスト、および非常に広いチューニング範囲の利点を提供します。

結論

浅いエッチングの格子を備えた1.3μmのQDLC-DFBレーザーが製造されており、DFBレーザーの一般的な製造プロセスにおける過成長の複雑さと深いエッチングプロセスの困難がうまく回避されています。このデバイスは、変調pドーピング、RTA処理、および最適化されたLC-DFBレーザー導波路構造で作成されたQDサンプルの高い材料ゲインの恩恵を受けて、47dBの大きなSMSRと0.092nm / Kの高い熱安定性dλ/ dTを示します。 。狭いリッジ導波路の両側のグレーティングに2つの異なる周期を定義するか、レーザーキャビティの長さを短くすることにより、2つのレーザー発振線を同時に取得でき、2つのレーザー波長間の間隔を柔軟かつ大幅に調整できます。 0.10から14THzの周波数差に対応して、0.5から73.4nmに変更されます。この広いチューニング範囲が、これまで報告されていない単一のレーザーデバイスで実現されていることは注目に値します。これらの結果は、CWTHZ放射を生成するためのLC-DFBレーザーの有望なアプリケーションを示しています。

略語

CW：

連続波

DFB：

分散フィードバック

EBL：

電子ビームリソグラフィー

ES：

励起状態

GS：

基底状態

ICP：

誘導結合プラズマ

LC-DFB：

横方向に結合された分散フィードバック

MOCVD：

有機金属蒸着

PECVD：

プラズマ化学気相成長法

P–I–V：

電力-電流-電圧

PMMA：

ポリメチルメタクリレート

QD：

量子ドット

QW：

量子井戸

RT：

室温

RTA：

ラピッドサーマルアニーリング

SEM：

走査型電子顕微鏡

SMSR：

サイドモード抑制率

TEM：

透過型電子顕微鏡

WDM：

波長分割マルチプレックス