半导体可饱和吸收反射镜

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缩写:SESAM

定义:一种可饱和半导体吸收器件,用作非线性反射镜。

半导体可饱和吸收反射镜(SESAM)(或者简单写为SAM,可饱和吸收反射镜)是一种反射镜,结合可饱和吸收器,都是采用半导体技术制备的。这一器件常用来通过无源模式锁定各种类型激光器产生超短脉冲


目录

SESAM典型结构

通常来讲,SESAM包含一个半导体布拉格反射镜和一个量子阱吸收层(接近表面)。布拉格反射镜的材料具有较大的带隙能量,因此在该区域基本上不会存在吸收。这种SESAM优势被称为可饱和布拉格反射镜(SBR)。为了得到较大的调制深度,在无源Q开关中需要,要采用较厚的吸收层。同时,在顶层表面需要采用合适的保护层来提高器件的寿命。

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图1:工作在1064nm附近的典型SESAM的结构图。在GaAs衬底上,生长了GaAs/AlGaAs布拉格反射镜。在顶层,是一个InGaAs量子阱吸收层,厚度为10nm.

光场穿透进SESAM的情况可以采用与其它类型电介质反射镜相同的矩阵方法进行计算。其中比较重要的是可饱和材料放置区域的光强。它会影响调制深度饱和能量密度。但是,结构的设计也会影响带宽色散

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图2:在非共振SESAM中折射率和光强的分布曲线。光强在吸收器处具有最大值。

还有一些比较特殊的半导体可饱和吸收器,采用嵌入玻璃[10,12]或者碳纳米管[13]中的量子点


共振和非共振SESAM设计

由于在半导体-空气界面存在菲涅尔反射,与布拉格反射结合形成腔效应(共振效应)。大多数情况下,腔对于器件的工作波长是非共振的(如图2)。这种器件具有相对较宽的波长范围,并且饱和吸收程度几乎不变,色散很小。与具有抗反射涂层的器件相比,非共振设计情况下光场穿透深度较小,因此调制深度较低,饱和能量密度损伤阈值较高。(但是,后者也并不占优势,因为使该器件饱和需要更高的入射脉冲能量密度。)

在相对较少的情况下,会采用共振设计。它具有更高的调制深度,更低的饱和能量密度以及更小范围的工作波长。

通过改变材料组分和一些设计参数,SESAM的一些宏观参数(尤其是工作波长,调制深度,饱和能量密度和恢复时间)可以调整以适应不同领域的应用。


可饱和吸收的物理机制

饱和吸收与带间跃迁有关:吸收光子的能量转移到电子上,然后其从价带跃迁到导带。最初在50-100fs内,价带和导带中先发生快速的热弛豫过程,然后(在几十或几百皮秒时间内)载流子符合,通常借助于晶体中的缺陷。

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图3:半导体中载流子的激发和弛豫过程。

在低光强时,电子激发程度较小,吸收是不饱和的。光强较大时,电子在导带加速,吸收跃迁的初态被耗尽而末态则被占满。因此,吸收减少。采用一个短脉冲发生饱和过程后,吸收过程恢复,部分是由于带内热弛豫过程,然后完全是由于再次复合。

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图4:在t=0时刻受到短脉冲作用,半导体可饱和吸收器反射率的变化。脉冲之后,部分的反射率变化快速消失,而另一部分则在很多皮秒后恢复。这种曲线可通过泵浦探测测量得到。


SESAM重要的性质

用于无源模式锁定或者Q开关时,SESAM最重要的特点包括:

  1. 调制深度,是反射率最大的非线性变化。它与吸收层的厚度,材料,光波长和光场穿透吸收结构的程度有关。
  2. 饱和能量密度,是引起显著吸收饱和效应的入射短脉冲的能量密度。它与吸收材料,波长和光场穿透吸收结构的程度有关。并且,饱和曲线中还存在翻转点(能量密度值越高,反射率越低),是由双光子吸收或其他效应引起的。
  3. 恢复时间是指饱和脉冲后恢复吸收所需的时间。它通常在几个皮秒到几百个皮秒之间。然而需要注意的是,恢复过程并不是指数形式(如图4)。恢复时间受吸收器中缺陷浓度的影响很大。
  4. 通常还存在一些非饱和损耗,是不需要的,它们通常会导致器件发热而不是用于脉冲整形。一般来说,具有较大调制深度和快速恢复时间的SESAM具有更高的非饱和损耗,但是也有例外情况。

另外的细节包括横向均匀性,群时延色散,光学损伤阈值和器件寿命。SESAM的寿命很难确定,因为它与工作条件密切相关。并且,SESAM也需要能够承担一定的热负荷。不仅在高平均功率情况下热效应非常重要,在高脉冲重复速率工作下也需要考虑。


用于SESAM的半导体材料

目前最常见的SESAM是应用在辐射1-μm波长区域的激光器中。其中,可饱和吸收器是InGaAs量子阱(有时是多个量子阱),其中可以调整In的含量来得到合适的带隙能量值。反射镜结构采用GaAs和AlAs层,生长在砷化镓基片上。InGaAs与GaAs和AlAs之间的晶格不匹配导致在吸收层存在很大的压应变。尤其是In含量很高时,会形成缺陷。缺陷有时也是有用途的,因为它会降低恢复时间,因此对于锁模激光器来说可以得到更短的脉冲和更好的脉冲稳定性。通过低温生长吸收层可以提高缺陷浓度。但是,生长温度过低,In含量太高的话,非饱和损耗会很高。增长后采用快速离子进行轰击可以降低恢复时间。在高温下使缺陷退火能够得到更好的非饱和损耗和恢复时间的折中点。

当用于无源模式锁定辐射更短波长,约为800nm的钛蓝宝石激光器时可以采用GaAs量子阱。需要避免在反射镜结构中采用GaAs,常采用由AlGaAs/AlAs制作的布拉格反射镜。脉冲时间非常短时,布拉格反射镜的带宽很窄;这时,需要采用包含金属反射镜的宽带SESAM设计。

在更长波长范围时,例如在1.3或1.5μm附近,也可以采用InGaAs量子阱,但是它们具有非常高的内应力。因此,发展了GaInNAs吸收器,具有非常低的非饱和损耗。也可以采用生长在InP基片上的铟磷吸收器。在1.5μm区域有几种不同种类的布拉格反射镜可以采用,主要取决于吸收层的类型。


SESAM的色散

尽管大多数的SESAM对于反射光只有中等强度的色散,采用多层结构可以在SESAM中实现任意的色散[7,11]。这种色散SESAM除了作为无源锁模装置,还可以用于激光器谐振腔中的色散补偿。但是,它的这种功能很少应用,主要是因为控制色散性质会引入一些设计上的问题。例如,需要的色散只在有限光学带宽中得到,并且器件随波长变化的损耗会使激光器工作在该带宽之外。并且采用同时具有饱和吸收和色散的SESAM是有限制的。


SESAM的应用

SESAM被广泛应用于激光器的无源模式锁定,尤其是固态激光器光纤激光器。它们可以工作在很宽的激光器参数中,并且如果期间和工作参数选取准确,则能够实现自启动锁模。它们可以工作在非常高的功率时,例如几十瓦特,前提是整体的激光器设计能够允许其工作在合适的范围。另一个应用为无源Q开关,用于微片激光器或者光纤激光器

将SESAM成功应用于激光器需选取合适的SESAM和调整激光器参数,尤其是吸收器中谐振腔的模式尺寸。应用SESAM时不合适的器件和工作参数通常会引起各种不稳定问题或者SESAM损伤。

SESAM也可以作为非线性滤波和信号处理的方法,例如用于光纤通信中。


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参阅:可饱和吸收器无源模式锁定自启动锁模Q开关脉冲产生