短周期超格子キャップ層を用いた高性能1550 nm InAs/GaAs量子ドットSESAM：フェムト秒ファイバレーザーへの応用

概要

低次元III-V族InAs/GaAs量子ドット（QD）は、広帯域、波長柔軟性、低飽和フルエンスの利点により、900〜1310 nm波長域で動作する半導体飽和吸収ミラー（SESAM）に成功裏に応用され、超短パルスレーザー用途で成果を上げています。しかし、QD構造のエピタキシャル成長における大きな障壁のため、1550 nm付近の長波長域で動作する高性能QD-SESAMを得ることは非常に困難でした。本研究では、1550 nm発光域向けに設計されたInAs/GaAs QDシステムにおいて、キャップ層（CL）からQDへのキャリア緩和プロセスが非常に弱いことが、発光性能不良の主原因であることを初めて明らかにしました。この知見に基づき、QDのCLとして短周期超格子（In_0.20Ga_0.80As/In_0.30Ga_0.70As）₅を開発し、従来のInGaAs CLと比較して1550 nmでの発光強度を約10倍向上させることに成功しました。このQD構造に基づき、飽和強度13.7 MW/cm²、非線形変調深度1.6%という優れた特性を同時に実現する高性能QD-SESAMを作製し、優れた長期動作安定性を持つ1550 nmフェムト秒モードロックファイバレーザーの構築を可能にしました。

はじめに

1550 nmモードロックフェムト秒パルスレーザーは、高ピークパワー、低熱影響、高パルスエネルギーにより、光通信、超高速光学、非線形光学などで幅広く応用されています[1-5]。このような超短パルスレーザーには、広い光帯域、高速応答時間、低損失特性を持つ飽和吸収体（SA）が不可欠な光学部品となります[6-9]。また、モードロックレーザーの長期安定動作には、SAの高い損傷閾値が強く求められます[10-13]。近年、グラフェン、トポロジカル絶縁体、黒リン、遷移金属ダイカルコゲナイドなどの二次元（2D）材料が、モードロックフェムト秒パルスレーザー用SAとして注目されています[14-20]。しかし、それらの低い損傷閾値と不十分な動作安定性が、実用化の大きな障壁となっています[22, 23]。量子井戸（QW）ベースのSESAMは、高い再現性と優れた動作安定性からモードロック超高速レーザーの有力な候補とされていますが、狭い動作帯域と小さな変調深度が、フェムト秒超短パルス実現の大きな障壁となっています[24]。

近年、広い動作帯域と高速キャリア回復時間を特徴とする[25-31]、Stranski-Krastanowモードで自己組織化成長するInAs量子ドット（QD）が、モードロックパルスレーザー構築用SESAMとして優れた選択肢として台頭しています。1550 nm付近の動作波長を得るためには、通常InPベースのInGaAsP QWが用いられます。GaAsベースのInGaAs QDのバンドギャップは一般的に980〜1310 nmのスペクトル範囲をカバーするように設計可能ですが、1310 nmより長い波長では、QDキャップ層（CL）により高いインジウム含有量が必要になります。四元系InGaAsSb（InGaNAs）合金やインジウム含有量30%以上のInGaAs CLが、QDバンドギャップを1550 nmの長波長側へシフトさせるために用いられてきました[32, 33]。しかし、四元系合金CLはエピタキシャル成長プロセスを著しく複雑化し、InGaAs CLの高インジウム含有量はQDの結晶性と光学的品質を劣化させ、非放射再結合中心を増やす原因となります。変質基板上に成長したInAs/GaAs QDで1550 nm発光が得られた例もありますが、信頼性と再現性の悪さが深刻な問題として残っています[34]。我々の先行研究では、1550 nmで動作する非対称InAs/GaAs QDを作製し、2 psパルス幅のモードロックErドープガラス発振器を実現しました[24]。また最近、InGaAsキャップInAs/GaAs構造の1550 nm QD-SESAMが作製され、二波長受動QスイッチErドープファイバ（EDF）レーザーが達成されています[35]。しかし、これらのQD-SESAMの変調深度が0.4%と小さいため、得られたレーザーの性能は制限されていました。したがって、変調深度を向上させるため、1550 nm InAs/GaAs QD構造を最適化する新たな手法の探索が強く求められていました。

本研究では、SESAM用の1550 nm域動作向けに設計された異なるInAs/GaAs QD構造を、InGaAs合金CLとInGaAs短周期超格子（SSL）CLをそれぞれ用いて分子線エピタキシー（MBE）法で成長させ、それらの光学特性を徹底的に調査しました。光ルミネセンス（PL）分光評価により、室温（RT）で1550 nm付近の非常に弱い発光が観察され、250 K以下の低温では観察できないことがわかりました。この現象は、QDシステムのよく知られた温度依存性、すなわち低温でPL強度が強く、熱励起により室温で非常に弱くなる、あるいは観測不能になるという挙動と著しく対照的です。1550 nm InAs/GaAs QDで観察されたこの異常な現象は、CLからQDへのキャリア緩和プロセスが弱いために起こると考えられ、SSL CLをQDに成長させることでこの弱い緩和を大幅に改善できます。SSL構造は、大きな振動状態密度を持つ豊富なフォノンモードを提供し、CLからQDへのキャリア緩和を効果的に促進します。その結果、非SSLキャップQDと比較して10倍強い1550 nm発光が観測されました。1550 nm QDの優れたキャリアダイナミクスは、QD-SESAMに高い飽和吸収性能をもたらし、非常に小さい飽和強度13.7 MW/cm²と、[24, 35]で報告された値の4倍にあたる大きな非線形変調深度1.6%を同時に実現しました。SSL CLを持つ高性能QD-SESAMの恩恵により、1556 nmで安定したモードロック発振を達成し、パルス幅920 fsのEDFレーザーを構築することに成功しました。

実験方法

MBE法によるInAs/GaAs QDの成長

分子線エピタキシー（MBE）法を用いて、3種類のInAs/GaAs QD構造を成長させました。すべてのサンプルは3周期のドット層を含み、各層は2.9単原子層（ML）のInAsから自己組織化形成されます。図1に示すように、サンプル1と2では、InAs QDがそれぞれGaAs上と1 nm厚のIn_0.18Ga_0.82Asバッファ層（BL）上に成長し、いずれも6 nm厚のIn_0.33Ga_0.67As層でキャップされています。サンプル3では、2.9 MLのInAs QDが同様に1 nm厚のIn_0.18Ga_0.82As BL上に成長しますが、キャップ層としてIn_0.20Ga_0.80As（1 nm）とIn_0.30Ga_0.70As（1 nm）の5周期からなる10 nm厚のSSLが用いられています。InAs QDの成長温度と成長速度はそれぞれ510℃、0.01 ML/sです。QD-SESAMは、31対の無ドープGaAs（115 nm）とAl_0.98Ga_0.02As（134 nm）層からなるボトム分散ブラッグ反射鏡（DBR）上に、1層のドット層構造を成長させることで作製しました。GaAsとInGaAsの成長温度はそれぞれ565℃と530℃です。

評価手法

PL測定は、532 nm固体レーザー励起で11〜300 Kの温度範囲で実施しました。これらのQDサンプルの結晶構造は、Cu Kα線を用いた高分解能X線回折で評価しました。QD構造の形態は、Nanoscope Dimension^TM 3100 SPM AFMシステムを用いた非接触モードの原子間力顕微鏡（AFM）で観察しました。透過型電子顕微鏡（TEM）像は、200 KeV JEOL-2010顕微鏡で取得しました。

結果と考察

図2a、b、cは、サンプル1、2、3それぞれの温度依存PLスペクトルを、励起パワー200 mWで11〜300 Kの温度範囲で測定したものです。短波長側に狭いピーク、長波長側に広いピークという2つの特徴的なPLピークが観察されます。11 Kで約1170 nm、300 Kで約1280 nmに位置する狭いピークはCLからの発光に由来し、300 Kで約1550 nmにある広いピークはQD発光に帰属されます。図2aに示すように、低温ではCL発光のみが観察され、1550 nm付近のInAs QD発光は温度が250 Kまで上昇すると現れ始め、さらに温度上昇とともに徐々に強くなります。サンプル2でも同様の挙動が観察されます（図2b）。一般的に、短波長発光（例：1300 nm）向けに設計されたInAs/GaAs QD構造では、低温でQD発光がPLスペクトルを支配し、CLやウェッティング層からの発光はほとんど観測されません。これはQD構造の低いエネルギー準位と、低温でのキャリアのQDからの熱逃走が抑制されるためです[36]。温度上昇に伴い、QDからの熱逃走が促進されるため、QD発光強度は徐々に減少します。これに対し、1550 nm向けに設計されたInAs/GaAs QDでは、全く逆の温度依存発光挙動を示し、この新しいQDシステムにおける顕著なキャリアダイナミクスの違いを示しています。図2eに示すように、QDのバンドギャップはCLよりもはるかに狭く、電子とホールの最低エネルギー準位はすべてQD構造内にあるため、光励起キャリアは過剰エネルギーを緩和した後、QDに優先的に居住すると期待されます。しかし、観測されたPL結果では、CL発光がPLを支配し、250 K未満ではQD発光が見えません。これは、低温では光励起キャリアがQDではなくCLに支配的に閉じ込められていることを示しています。この事実は、キャリア散乱プロセスに参加するフォノンが少なすぎるため、CLからQDへのキャリア緩和効率が低いという、深刻なキャリア緩和ブロッキング効果によって説明できます。温度上昇により、より多くのフォノン集団が熱的に励起され、フォノンと光励起キャリアの相互作用が徐々に強化されることで、より多くのキャリアがCLからQDへ散乱されます。室温で1550 nmのQD発光が最も強いPL強度を示すことは、CLからQDへのキャリアエネルギー緩和プロセスが、QDからCLへの熱逃走プロセスを支配していることを示しています。

サンプル1と2のPL評価から、1550 nm応用向けInAs/GaAs QDシステムには非効率なキャリア緩和特性が存在し、より大きなフォノン密度がCLからQDへのキャリア緩和を促進することがわかります。本質的に、この弱いキャリア緩和はCLによって決まる電子バンド構造に根差しています。QD材料では、CLとQDのバンドオフセットがCLの縦光学（LO）フォノンエネルギーよりもはるかに大きく、CL内のキャリアは単一フォノン放出ではなく、複数フォノン放出を経てQD準位に緩和しなければなりません。CLとQDのバンド構造における大きなバンドオフセットのため、1550 nm用InAs/GaAs QDではこの弱いキャリア緩和プロセスを排除することはできませんが、電子バンド構造およびフォノンバンド構造を調整することで、複数フォノン散乱プロセスを修正できます。この目的で、1550 nm QDのキャリア緩和を向上させるため、(In_0.20Ga_0.80As/In_0.30Ga_0.70As)₅ SSL構造をCLとして採用し、InGaAs CLを置き換えました。SSL CLは、SSLにおけるブリルアンゾーンフォールディング効果により、より多くのフォノン振動モードと非常に大きなフォノン密度を提供すると期待されます[37]。図1cに示すように、サンプル3はサンプル2と同じ構造ですが、CLとして5周期の10 nm厚In_0.20Ga_0.80As/In_0.30Ga_0.70As SSLを用いています。図2dは、サンプル1、2、3のXRDパターンを示します。すべてのサンプルで、立方晶GaAsの（008）面に帰属される66.1°の強いピークが観察されます。サンプル1と2では、6 nm厚In_0.33Ga_0.67As CL構造に由来する明確なサテライトピークが64.0°付近に観察されます。さらに詳細に見ると、サンプル3のIn_0.20Ga_0.80As/In_0.30Ga_0.70As SSLは、64.4°付近にサテライトピークを示し、In_0.33Ga_0.67As CLのものに対して大きい角度側へシフトしており、平均インジウム含有量の減少を示唆しています[38, 39]。SSL CLがInAs/GaAs QDの光学特性に与える影響を理解するため、サンプル3の温度依存PLスペクトルも測定しました（図2c）。サンプル1、2と同様に、200 K未満ではInAs/GaAs QDからの1550 nm PL発光は明確に観察されず、温度上昇とともに徐々に強くなります。注目すべきは、サンプル3のQD発光ピーク（1550 nm）が、サンプル1、2の約250 Kよりもはるかに低い200 Kで出現することです。室温でのCL発光に対する相対強度はサンプル1、2よりもはるかに高く、PL強度はサンプル2の約10倍に達します。これらの結果は、SSL CLがCLからQDへのキャリア緩和を大幅に促進し、QDでの放射再結合を大幅に向上させることを示しています。SSL CLによるキャリア緩和促進の理由は、インジウム含有量の減少した高品質SSL CLにあります。これにより、キャリア緩和挙動が効果的に調制され、QDによるキャリア捕獲が強化されます。

複数フォノン関与キャリア散乱プロセスへの更なる洞察を得るため、異なるタイプのCLを持つInAs/GaAs QDシステムのバンド構造を比較しました。簡単化のため、CLとQDのバンドギャップ差は、それぞれのPLピークエネルギー差として推定できます。図2e、fに示すように、300 Kにおけるサンプル2と3のCLとInAs QDのバンドギャップ差は、PL測定によりそれぞれ143 meVと114 meVと決定されました。伝導帯のバンドオフセットがCLとQDの伝導帯エネルギー差の約60%であると仮定すると[40]、電子はサンプル2で86 meV、サンプル3で68 meV緩和することで、CLのエネルギー準位からInAs QDの最低エネルギー準位へ散乱されます。InGaAs合金のLOおよび縦音響（LA）フォノンエネルギーはそれぞれ34 meVと9 meVです[40, 41]。複数フォノン散乱プロセスにおいて、サンプル3では2 LOフォノンの組み合わせでCLからQDへの電子散乱が完結するのに対し、サンプル2では2 LOフォノンに加えて1 LOまたは2 LAフォノンが必要です。複数フォノン散乱プロセスに関与するフォノンモードが多いほど、電子緩和率が著しく低下することが示されています[42-45]。したがって、サンプル3の電子緩和率はサンプル2よりも大きく、これがサンプル3でのQD PL強度の大幅な増強を説明します。実際、SSL CLのインジウム含有量減少と、キャリア緩和プロセスにおけるフォノンボトルネック効果の弱体化が、サンプル3のQD PL強度増強の主因です。

SSL CLによるキャリア緩和促進効果をさらに検証するため、300 Kで励起パワー依存PLスペクトルを測定しました。図3a、b、cに示すように、CL（ピーク1）とInAs QD（ピーク2）のPL強度は励起パワー増加に伴い徐々に増加し、ピーク位置の明確なシフトは観察されません。図3a、bに示すように、高励起パワーではサンプル1と2でピーク1の強度がピーク2よりもはるかに強く、CLでの再結合が支配的で、CLからInAs QDへのキャリア緩和が非効率的な緩和率により深刻に阻害されていることがわかります。サンプル1と比較して、サンプル2のピーク2/ピーク1強度比がやや高いのは、In_0.18Ga_0.82Asバッファ層による核生成中心の増加でドット密度が高まったためと考えられます[24]。サンプル3では、2000 mW励起パワーでピーク2の強度がピーク1の約2.1倍となり、SSLキャップInAs QDでのキャリア緩和効率が大幅に向上していることを示しています。また、SSLキャップ層の平均インジウム含有量は約25%で、サンプル1、2のCL（33%）より小さいにもかかわらず、サンプル3のピーク1発光波長（約1337 nm）はサンプル1、2（約1310 nm）よりわずかに長くなっています。これは、6 nm InGaAsキャップ層と比較して、はるかに厚い（10 nm）SSL層での量子閉じ込め効果の低下が主因と考えられます。

SSLキャップInAs/GaAs QDで得られた優れた光学特性に基づき、QD-SESAMとしてのフェムト秒パルス生成への応用を実証しました。1550 nm SSLキャップInAs/GaAs QD-SESAMは、吸収層として1層のSSLキャップInAs/GaAs QDを用い、ボトムDBRミラーとして31周期の無ドープGaAs（115 nm）とAl_0.98Ga_0.02As（134 nm）層で構成されます。QD-SESAMの詳細構造は、図4に示す断面TEM像で確認できます。吸収層のQD平均ドット密度は4.4×10¹⁰ cm^-2と推定され、AFM像（図4インセット）から平均高さ7.5 nm、横サイズ40 nmが確認されました。SESAMは典型的なバランス型ツイン検出器セットアップ[46]で評価し、飽和強度13.7 MW/cm²と非線形変調深度1.6%を達成しました。図4に示すように、このQD-SESAMをEDFレーザー共振器に挿入することで、受動モードロックレーザーを構築しました。標準的な23.75 m単モードファイバと0.75 m EDFを利得媒質として用い、共振器長は24.5 mとなりました。980 nm発振の半導体DFBレーザーダイオード（LD）をポンプ源とし、980/1550 nm波長分割多重化器（WDM）でポンプ光をファイバレーザー共振器に導入しました。偏波独立アイソレータ（PI-ISO）と偏波コントローラ（PC）で、一方向伝播とモードロック状態の最適化を確保しました。1550 nm光サーキュレータ（CIR）のポート1をPCに、ポート2をQD-SESAMに、ポート3を10/90出力カプラ（OC）（10%出力、90%入力）に接続しました。

ポンプパワーが50 mWを超えるとモードロック動作が得られます。図5aに示すように、このモードロックレーザーの出力パワーはポンプパワー増加に伴い直線的に増加し、直線フィッティングによる傾き効率は約4.82%です。図5bに示すように、3 dB帯域幅3.2 nmの典型的な従来型ソリトンスペクトルが観測され、中心波長は1556 nmです。図5cに示す繰り返し周波数8.16 MHzのRFスペクトルは、24.5 mの共振器長に対応します。信号対雑音比は約51 dBで、SSLキャップQD-SESAMを用いた安定モードロック動作の高い可能性を示しています。閾値ポンプパワー50 mWでの長時間安定モードロック測定を行い、1週間以上の安定連続動作を達成しました。図5dはガウシアンフィッティングプロファイルでフィッティングした自己相関トレースで、実際のパルス幅が約920 fsであることを示しています。比較のため、サンプル2の構造に基づくQD-SESAM（飽和強度15.7 MW/cm²、非線形変調深度0.4%）では、モードロックレーザーが2.7 ps幅のパルスを生成しました[47]。SSLキャップQDベースのQD-SESAMで達成された大幅なパルス幅短縮は、変調深度の増加に起因し、SSLキャップ層によるキャリア緩和効率の向上が飽和強度の低下をもたらしたと考えられます。さらに、他の5つのSSLキャップQD-SESAMを選んでモードロックファイバレーザーを構築しましたが、すべて長期安定性を示し、SESAMの高い再現性と信頼性が実証されました。

結論

結論として、1550 nm応用向けInAs/GaAs QDをMBE法で成長させ、QDのキャップ層としてInGaAs合金層とSSL層をそれぞれ用いました。温度依存およびパワー依存PL分光評価により、In_0.33Ga_0.67As合金CLを(In_0.20Ga_0.80As/In_0.30Ga_0.70As)₅ SSL CLに変更することで、CLとQD構造の伝導帯オフセットが86 meVから68 meVへ変化し、より効率的な複数フォノン関与キャリア散乱が実現されることを明らかにしました。これにより、より多くのキャリアがQD構造で放射再結合し、1550 nmでの発光が大幅に向上しました。SSLキャップInAs/GaAs QDで成長したQD-SESAMは、飽和強度13.7 MW/cm²と非線形変調深度1.6%という大幅に向上した特性を示し、このQD-SESAMを用いて構築した1556 nm動作のモードロックファイバレーザーで920 fsのパルス幅を達成しました。QDのCLとしてSSL設計を採用したQD-SESAMの開発は、高性能超高速レーザーへの新たな道を開くものです。

データおよび資料の入手可能性

本研究で生成および分析されたデータセットは、責任著者への合理的な要請に基づき、制限なく完全に入手可能です。

略語

2D:

二次元

AFM:

原子間力顕微鏡

BL:

バッファ層

CIR:

サーキュレータ

CLs:

キャップ層

DBR:

分散ブラッグ反射鏡

EDF:

Erドープファイバ

LA:

縦音響

LD:

レーザーダイオード

LO:

縦光学

MBE:

分子線エピタキシー

MLs:

単原子層

OC:

出力カプラ

PC:

偏波コントローラ

PI-ISO:

偏波独立アイソレータ

PL:

光ルミネセンス

QDs:

量子ドット

QW:

量子井戸

RT:

室温

SA:

飽和吸収体

SESAMs:

半導体飽和吸収ミラー

SSL:

短周期超格子

TEM:

透過型電子顕微鏡

WDM:

波長分割多重化器