半导体饱和吸收镜 Semiconductor saturable absorber mirrors

2022-10-27 13:09:31 浏览:413

定义

可饱和半导体吸收器件,充当非线性反射镜。

半导体饱和吸收镜(SESAM)(或简称SAM =可饱和吸收镜)是一种反射镜结构,带有可饱和吸收体,全部采用半导体技术制成。此类器件主要用于通过各种类型激光器的无源模式锁定来产生超短脉冲。

固态混合电的典型结构

通常,SESAM包含一个半导体布拉格反射镜和(靠近表面)单个量子阱吸收层。布拉格镜的材料具有较大的带隙能量,因此该区域基本上不会发生吸收。这种SESAM有时也被称为可饱和布拉格反射器(SBR)。为了获得较大的调制深度,例如对于无源Q开关,可以使用较厚的吸收层,或者使用多个量子阱。顶面上的钝化层可以延长器件的使用寿命。

图1:在 1064 nm 附近操作的典型 SESAM 的结构。在砷化镓衬底上,生长出砷化镓/砷化镓布拉格镜。在顶层中,有一个InGaAs量子阱吸收层,其厚度可能为例如10nm。

光场对SESAM的穿透可以使用与应用于其他类型的介电镜相同的矩阵方法进行计算。特别重要的是放置可饱和材料的区域的光学强度。这会影响调制深度和饱和通量(见下文)。然而,结构的设计也会影响带宽和色散。

图 2:SESAM内的折射率分布和光学强度分布具有反谐振设计,通常使用。强度分布在吸收器位置具有最大值(由垂直灰线表示)。该图是使用软件RP涂层制作的。

通常,将相当薄的吸收层(几纳米厚)放置在电场的反节点(如图2所示),即电场最强的地方。这导致最大的饱和吸收和尽可能小的饱和通量。如果高调制深度需要多个吸收层,则可以将它们放置在单独的反节点中,或者可能将其中几个放置在一个反节点附近,以最小化外延生长所需的总厚度。

还有一些更奇特类型的半导体可饱和吸收体,可以基于例如嵌入玻璃中的量子点[10,12]或碳纳米管[13]或石墨烯[26,27]。

谐振和非谐振 SESAM 设计

由于半导体-空气界面处存在菲涅耳反射,因此与布拉格反射一起导致空腔效应(共振效应)。在大多数情况下,该腔体被设计为与器件的工作波长抗共振(另请参见图2)。这种器件表现出相对较宽的波长范围,具有或多或少恒定的饱和吸收度和较小的色散。与具有减反射涂层的器件相比,反共振设计对吸收器的场穿透力较低,因此除了更高的饱和通量和较高的损伤阈值外,调制深度也较低。(然而,后者没有优势,因为需要更高的入射脉冲通量才能使这种设备饱和。

在相对罕见的情况下,使用谐振设计。它们具有更高的调制深度和更低的饱和通量,以及更窄的工作波长范围。

通过改变材料成分和某些设计参数,可以定制SESAM的宏观参数(特别是操作波长,调制深度,饱和通量和恢复时间),以便在非常不同的条件下运行。

饱和吸收的物理机制

图3:半导体中载流子的激发和弛豫。

可饱和吸收与带间跃迁有关:吸收的光子的能量转移到电子,电子从价带带到导带。首先在导带和价带内有一些相当快速的热化弛豫,例如在50-100 fs内,然后(通常在数十或数百皮秒的时间尺度上)载流子重新组合,通常是借助晶体缺陷。

对于低光强度,电子激发程度小,吸收保持不饱和。然而,在高光学强度下,电子可以积聚在导带中,因此吸收跃迁的初始状态被耗尽,而最终状态被占用(泡利阻塞)。因此,吸收减少。在短脉冲饱和后,吸收恢复,首先部分是由于带内热弛豫,后来完全通过复合。

图 4:半导体饱和吸收体的反射率变化,在t = 0时被短脉冲击中。部分反射率变化在脉冲后很快消失,而另一部分则需要许多皮秒才能恢复。这种曲线可以通过泵-探头测量来记录。

SESAMs的重要特性

SESAM最重要的特性,例如用于被动模式锁定或Q开关,如下:

  • 调制深度是反射率的最大非线性变化。它取决于吸收体的厚度,材料,光学波长以及光学场渗透到吸收器结构中的程度。
  • 饱和通量是入射短脉冲的通量,是引起显著吸收饱和所必需的。这取决于吸收器材料、波长和穿透吸收器结构的场。此外,饱和曲线可能存在“翻转”(即高通量值的反射率降低),这可能是由双光子吸收(对于亚皮秒脉冲)或其他效应引起的。
  • 恢复时间是饱和脉冲后吸收恢复的指数时间常数。它通常在几皮秒和数百皮秒之间。但请注意,恢复通常不是指数形式(请参见图 4)。恢复时间受到吸收器中缺陷密度的强烈影响,并且可能在附近结构中。
  • 通常有一些不饱和的损耗,这是不需要的,因为它们只会降低激光功率并导致器件发热,而不会影响脉冲整形。通常,具有较大调制深度和更快恢复的SESAM的不可饱和损耗往往更高,但也有例外。

其他细节涉及横向均匀性、群延迟色散(见下文)、光损伤阈值和器件寿命,以及高功率操作的适用性(见下文)。SESAM的寿命通常难以评估,并且在很大程度上取决于操作条件。此外,SESAM 能够承受一定的热负荷也很重要。热问题不仅在高平均功率水平下变得重要,而且对于具有非常高脉冲重复率的操作也很重要。

用于SESAM的半导体材料

到目前为止,最常见的SESAM类型用于在1μm波长区域发射的激光器。在这里,饱和吸收体是InGaAs量子阱(或有时是多个量子阱),其中铟含量被调整以达到适当的带隙能量值。镜面结构基于砷化镓晶片上生长的砷化镓和砷化镓。砷化镓和砷化镓上InGaAs的晶格不匹配导致吸收层中出现显著的压缩应变。

特别是对于高铟含量,这会导致结构缺陷的形成。这种缺陷的影响甚至可能是有帮助的,因为它减少了恢复时间,因此可以在锁模激光器中实现更短的脉冲和更好的脉冲稳定性。因此,缺陷浓度通常通过吸收层的低温生长而增加。然而,对于过低的生长温度和/或高铟含量,不饱和损耗可能变得太高。通过生长后用快速离子轰击(离子注入),也可以减少恢复时间。在一定温度下对缺陷进行部分退火有助于在不饱和损耗和恢复时间之间找到更好的折衷方案。

对于较短波长的使用,例如用于发射约800 nm的钛 - 蓝宝石激光器的无源模式锁定,可以使用GaAs量子阱。因此,必须避免在镜面结构中使用GaAs;通常使用由砷化镓/砷化物制成的布拉格镜。对于非常短的脉冲持续时间,布拉格镜的反射率带宽是不够的。在这种情况下,有时会使用包含金属反射镜的特殊宽带SESAM设计。

在较长的波长下,例如1.3或1.5μm左右的波段,InGaAs量子阱仍然可以使用,但它们具有非常高的内置应变。因此,已经开发了GaInNA(稀氮化物)吸收剂,其允许非常低的不饱和损耗。也可以在InP晶圆上生长的器件中使用基于磷化铟的吸收剂。在1.5μm区域使用各种类型的布拉格反射镜,部分取决于吸收层的类型。

用于高功率操作的SESAM 

有被动锁模高功率激光器(薄盘激光器),其平均输出功率远高于100 W,内部平均功率远高于1 kW。在这种激光器中使用的SESAM通常会吸收0.2%到2%的入射功率,这会产生大量的热效应。特别是,可能会有大量的热透镜效应,这会影响激光谐振器的模式特性。此外,温度升高可能导致加速老化甚至光学损伤。出于这些原因,需要优化SESAM以用于高功率激光器[29],例如通过以下方式:

  • 为所需的脉冲整形任务选择尽可能小的调制深度。(请注意,激光设计可以针对SESAM所需的最小脉冲整形量进行优化。
  • 该装置设计用于具有相对大光束半径的入射激光束,以便产生的热量分布在某个相对较大的区域,从而降低温升。为此,饱和能量流需要相对较低,以便在没有强烈聚焦辐射的情况下获得足够的饱和度。此外,SESAM表面必须足够平坦,即它必须在整个光束区域内表现出高度变化,这些高度变化只是一个波长的一小部分。
  • 在标准SESAM中,产生的热量必须通过数百微米的半导体材料(由所用晶圆的厚度决定)传导。倒装芯片键合SESAM可以进行实质性改进,其中所需的半导体层(包括布拉格镜和吸收层)在器件接触散热器之前以相反的顺序生长,并用机械和化学方法(蚀刻程序)去除基板。还有一些技术是在生长后将设备连接到临时基板上,然后用机械和化学手段去除基板,然后用材料附着在基板最初所在的一侧的散热器上。最后,可以去除临时基材。这种技术的结果是器件的热阻大大降低,从而大大降低了工作中的温升。此外,器件内部的温度变化要小得多,这意味着热透镜效应减少。最后描述的技术(最初是为晶体半导体反射镜开发的)也可以显著改善表面的平整度[29]。

使用这种方法,即使在平均输出功率为数千瓦的被动锁模激光器中,也应该可以使用SESAM,但可实现的功率目前受到此类激光器中其他挑战的限制。

请注意,如果脉冲重复率非常高(数千兆赫兹),即使在低功率激光器(例如平均输出功率为1 W)中,也可能发生局部温度大幅升高。在这种情况下,必须使用相对较强的辐射聚焦,以便在脉冲能量很小的情况下实现足够强的吸收饱和度。然后,尽管吸收的平均功率相当适中,但应对热量的产生可能具有挑战性。脉冲重复率低得多(通常约为几十兆赫兹)的高功率激光器允许使用更大的光束区域,从而更容易处理大量吸收的功率。

色散型筛分仪

虽然大多数SESAM在反射光下仅表现出适量的色散,但任何符号的色散都可以通过多层结构设计成SESAM[7,11]。然后,除了无源模式锁相器的功能外,这种色散SESAM还可以用于激光谐振器中的色散补偿。然而,这种方法很少被应用,主要是因为控制色散的需要引入了某些设计冲突。例如,所需的色散可能只出现在有限的光学带宽中,并且器件的波长相关损耗可能驱动激光器在该带宽之外工作。此外,它限制了与SESAM一起工作,后者提供某些固定的饱和吸收和分散组合。

SESAM的应用

SESAM广泛用于激光器的无源模式锁定,特别是固态体和光纤激光器。它们可以适应各种激光参数,如果正确选择其设备和操作参数,通常允许可靠的自启动模式锁定。即使在数十瓦的非常高的输出功率水平下,它们也可以使用,前提是整体激光设计允许它们在适当的状态下运行。另一个应用是无源Q开关,例如微芯片激光器或光纤激光器。

在激光器中成功使用 SESAM 的一般条件是选择合适的 SESAM 设计和调整许多激光参数,特别是吸收器上的谐振器模式尺寸。使用具有不适当设备和操作参数的 SESAM 通常会导致各种不稳定或 SESAM 损坏形式的问题。

SESAM 还可用于某些非线性滤波和信号处理方法,例如在光纤通信环境中。

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光学器件

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