WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 11 Перестройка током длины волны излучения мезаполосковых низкопороговых лазеров на основе InAsSb / InAsSbP двойных гетероструктур, излучающих в области 3.3 мкм © Т.Н. Данилова, А.П. Данилова, О.Г. Ершов, А.Н. Именков, М.В. Степанов, В.В. Шерстнев, Ю.П. Яковлев Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 3 марта 1997 г. Принята к печати 6 марта 1997 г.) Диодные мезаполосковые лазеры на основе InAsSb/InAsSbP двойных гетероструктур с низким пороговым током ( 12 мА) и узкой шириной полоска ( 10 мкм) исследовались в большом интервале токов вплоть до 5 пороговых. Обнаружено, что в таких лазерах моды в измеренном интервале токов смещаются в коротковолновую сторону почти на величину межмодового расстояния вследствие возрастания концентрации неравновесных носителей в активной области. Скорость смещения мод с током разная в разных интервалах токов и зависит от степени одномодовости лазерного спектра.

1. Создание перестраиваемых по частоте инжекцион- Пороговый ток у лучших лазеров имел величину ных лазеров для спектрального диапазона 3–4 мкм ис- 12 мА, плотность порогового тока Jth 530 А/см2 при ключительно перспективно для молекулярной спектро- 77 K. Модовый состав спектра когерентного излучения скопии высокого разрешения, так как в этом спектраль- при разных токах накачки представлен на рис. 1 (ланом диапазоне лежат много сильных характеристических зер V-12192 № 1). Межмодовое расстояние составляет линий поглощения природных и промышленных газов. 60. При пороговом токе лазер имеет две соседние Данная работа является продолжением начатых нами преимущественные моды, по интенсивности превышаюработ по созданию и исследованию перестраиваемых щие больше чем в 2 раза каждую из остальных мод, но лазеров на основе InAsSb / InAsSbP [1–5] и посвящена ис- уже при токе I = 1.25Ith появляется одна преимущеследованию перестройки током длины волны излучения ственная мода. Одномодовый режим сохраняется до то низкопороговых лазеров с узким мезаполоском, излуча- ков I 3.5Ith, после чего в спектре появляется с корот= ющих в области поглощения метана и углеводородов коволновой стороны на расстоянии четырех межмодовых ( = 3.3 мкм). интервалов еще мода, по интенсивности приблизительно Исследовались лазеры на основе равная прежней моде. С дальнейшим увеличением тока N-InAs0.52Sb0.18P0.30/n-InAs0.95Sb0.05 / P-InAs0.52Sb0.18P0.30 эта вторая мода становится преимущественной, хотя гетероструктур, полученные методом в жидкофазной спектр уже не является одномодовым.

эпитаксии. Широкозонные эмиттеры имели толщину по Численная оценка доли излучения преимущественной 3 мкм каждый, толщина активной области 1мкм. моды в общем излучении всех мод в спектре (Fmax/Fi) Слой N-InAsSbP был легирован Sn до концентрации представлена на рис. 2. Как видно, отношение Fmax/Fi электронов (2 5) · 1018 см-3, P-InAsSbP легирован зависит от тока и составляет величину от 0.8 до Zn до концентрации дырок 1 · 1018 см-3. Активная в том интервале токов, когда I/Ith 1.5-3. При = область специально не легировалась, и концентрации I = Ith Fmax/Fi 0.3. При больших токах, когда = электронов в ней составляли 1016 см-3. На I/Ith > 3.5, Fmax/Fi не изменяется с током и имеет структурах, выращенных с использованием стандартной величину 0.45.

фотолитографии, формировались мезаполоски шириной Для того же лазера на рис. 3 представлены зави 10 мкм. Лазеры с длиной резонатора 225–300 мкм симости от тока I (или от I/Ith) некоторых характебыли получены с помощью скалывания. ристик лазерного излучения. На рис. 3, a — зависиИсследовались спектр излучения, диаграмма напра- мость изменения () спектрального положения моды, вленности и интенсивность интегрального излучения преимущественной в интервале токов 1.5Ith - 3Ith, по лазеров в квазинепрерывном режиме при питании их сравнению с ее положением при пороговом токе. На прямоугольными импульсами тока типа меандр с ча- рис. 3, b — зависимости ширины диаграммы направленстотой следования 80 Гц. Измерения проводились при ности на полувысоте максимальной интенсивности температуре жидкого азота. Для получения спектров в в плоскости p-n-перехода (кривая 1) и в плоскости, качестве диспергирующего прибора использовался мо- перпендикулярной плоскости p-n-перехода (кривая 2).

нохроматор МДР-2. На рис. 3, c показана зависимость от тока интенсивности 2. Спектры когерентного излучения лазера измерялись интегрального излучения F.

в интервале токов от порогового (Ith) до I 5Ith. В этом Как видно (рис. 3, a), положение моды в спектре сме= же интервале токов измерялись диаграмма направленно- щается в коротковолновую сторону с увеличением тока сти и интенсивность интегрального излучения. накачки, и в измеренном интервале токов суммарное Перейстройка током длины волны излучения мезаполосковых низкопороговых лазеров... смещение составляет 55. Однако в разных интервалах токов скорость этого смещения разная. Наибольший наклон зависимость (I) имеет в интервале токов от Ith до 1.5Ith. В этом интервале токов Fmax/Fi изменяется от 0.3 до 0.8 (рис. 2). Общее смещение моды в этом интервале 30. В этом же интервале токов диаграмма направленности (рис. 3, b) в плоскости p-n-перехода (кривая 1) продолжает сужаться, но с меньшей скоростью, чем она сужалась при I < Ith. В плоскости, перпендикулярной p-n-переходу (кривая 2), диаграмма направленности не изменяется с током. Интенсивность излучения с током возрастает суперлинейно (рис. 3, c).

В интервале токов от 1.5Ith до 2.8Ith, т. е. в одномодовом режиме, Fmax/Fi находится в пределах от 0.8 до 1 (рис. 2), наклон зависимости от I/Ith Рис. 2. Зависимость отношения интенсивности максимальной очень слабый, смещение в коротковолновую сторону моды к сумме интенсивностей всех мод Fmax/Fi от тока I.

составляет 2.5. В этом интервале токов диаграмма направленности в плоскости p-n-перехода достигает своей минимальной величины 17 (рис. 3, b, кривая 1), а в плоскости, перпендикулярной плоскости менной. Зависимость интенсивности F от тока (рис. 3, c) p-n-перехода (рис. 3, b, кривая 2), остается неиз- линейна.

В интервале токов от 2.5Ith до 3.5Ith Fmax/Fi уменьшается от 1 до 0.5, при этом происходит смещение моды в коротковолновую сторону на 20 (рис. 3, a).

В этом интервале токов диаграммы направленности (рис. 3, b) в плоскости p-n-перехода (кривая 1) и в плоскости, перпендикулярной плоскости p-n-перехода (кривая 2), остаются неизменными. Зависимость интенсивности излучения от тока (рис. 3, c) сублинейная.

При токах от 3.5Ith до 5.5Ith мода, за положением которой мы следим, перестает быть доминирующей и смещается на 2–3 в длинноволновую сторону. На расстоянии четырех межмодовых интервалов с коротковолновой стороны появляется мода такой же интенсивности, которая с дальнейшим увеличением тока постепенно становится доминирующей. Диаграмма направленности (рис. 3, b) в плоскости p-n-перехода значительно расширяется (кривая 1), а в плоскости, перпендикулярной плоскости p-n-перехода, значительно сужается (кривая 2), и их полуширина достигает приблизительно одной и той же величины 36. На зависимости интенсивности от тока (рис. 3, c) в начале наблюдается полочка, а затем интенсивность возрастает с током.

3. Обсудим полученные результаты. Из обзора экспериментальных результатов следует, что в исследованных лазерах с увеличением тока от Ith до 4Ith моды смещаются в коротковолновую сторону на величину, почти равную межмодовому расстоянию. Это свидетельствует о том, что в исследуемых лазерах с шириной полоска 10 мкм в этом интервале токов самофокусировка излучения, приводящая к смещению мод в длинноволновую сторону [4], не проявляется. Смещение положения моды в спектре в коротковолновую сторону может быть следствием уменьшения показателя преломления с увеличением тока, если инжекция свободных носителей Рис. 1. Спектры излучения лазера (V12192 № 1) при в полупроводник приводит к увеличению концентрации температуре 77 K при различных токах накачки.

8 Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 1394 Т.Н. Данилова, А.П. Данилова, О.Г. Ершов, А.Н. Именков, М.В. Степанов...

неравновесных носителей (N) при токах выше Ith. Увеличение N приводит к изменению коэффициента межзонного поглощения ( ), которое связано с изменением показателя преломления n соотношением Крамерса– Кронига [6] c ( ) n = d( ) ( )2 - ( 0) c ( ) d( ), 2Eg - где Eg — ширина запрещенной зоны в активной области лазера, c — скорость света, — постоянная Планка, — круговая частота генерации, если под 0 понимать энергию фотона генерируемого лазерного излучения, то n будет относиться к этому излучению.

Из расчетов П.П. Паскова [7], проведенных для InAs1-xSbx, можно оценить изменения показателя преломления n для x = 0.05, соответствующего составу активной области исследуемых лазеров. Для концентрации носителей 5 · 1017 см-3, что на 1.5 порядка превышает равновесную концентрацию носителей в активной области, изменение n составляет 0.1 0.15 для энергии фотона, соответствующей краю собственного поглощения. Расчеты Паскова проведены для комнатной температуры, но, поскольку для полупроводников AIIIBV = dn/dN (-1/T ) [6,8], при температуре 77 K это изменение должно быть не меньше.

Однако, как видно из рис. 3, внутри интервала токов от Ith до 4Ith, где с увеличением тока мода смещается в коротковолновую сторону, имеется интервал от 1.5I/Ith до 2.8I/Ith, где это смещение незначительно ( 2.5 ).

С другой стороны, в этом интервале токов наблюдается одномодовый режим работы лазера, Fmax/Fi достигает величины 0.8 1, т. е. наблюдается эффект автостабилизации [6]. Сильная мода подавляет усиление в некотором спектральном интервале с длинноволновой и с коротковолновой стороны. В этом же интервале токов наблюдается максимальное сужение диаграмм направленности в плоскости p-n-перехода. Замедление смещения моды в коротковолновую сторону в одномодовом режиме генерации лазера с увеличением тока является экспериментальным свидетельством того, что в этом режиме работы лазера с увеличением тока слабо растет концентрация неравновесных носителей с E больше EF (EF — энергия Ферми на пороге генерации лазерного излучения). Эта концентрация зависит от соотношения времен /r, где — время релаксации по энергии, а r — время рекомбинации носителей. Вероятно, в исследованных лазерах в одномодовом режиме это отношение Рис. 3. Зависимость от тока I смещения положения моды становится существенно меньше, чем в режиме, когда (a), ширины диаграмы направленности на половине высоты Fmax/Fi < 0.8.

интенсивности (b) в плоскости p-n-перехода (I) и в При больших токах, больше 4Ith, коэффициент прело плоскости, перпендикулярной плоскости p-n-перехода (2), мления, вероятно, становится настолько малым в активинтенсивности интегрального излучения F (c) для лазера ной области, что существенно уменьшается оптическое V1219 № 1.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Перейстройка током длины волны излучения мезаполосковых низкопороговых лазеров... ограничение, и световая волна выходит в широкозонные [5] Т.Н. Данилова, О.И. Евсеенко, А.Н. Именков, Н.М. Колчанова, М.В. Степанов, В.В. Шерстнев, Ю.П. Яковлев. ФТП, области. это расширяет световой поток в плоскости, 30, 1265 (1996).

перпендикулярной плоскости p-n-перехода, и приводит [6] П.Г. Елисеев, А.П. Богатов. Тр. ФИАН, 166, 15 (186).

к сужению диаграммы направленности в этой плос[7] P.P. Paskov. Sol. St. Commun., 82, 739 (1992).

кости из-за уменьшения влияния дифракции на щели.

[8] D.A.B. Miller, C.T. Seaton, M.E. Prise, S.D. Smith. Phys. Rev.

Проникновение света в пассивные области увеличивает Lett., 47, 197 (1981).

потери на поглощение на свободных носителях и может [9] В.М. Аснин, А.А. Рогачев. ФТП, 5, 1730 (1963).

объяснить полочку на зависимости интенсивности света Редактор В.В. Чалдышев от тока. Расширение диаграммы направленности в плоскости p-n-перехода может быть связано не с изменением показателя преломления, а с переходом от одномодо- Current tunable low threshold mesa stripe вого режима к многомодовому режиму. Коротковолноin AsSb / InAsSbP double heterostructure вое смещение в этом интервале токов прекращается, diode lasers emiting at 3.3 µm и наблюдается небольшое смещение положения мод в T.N. Danilova, A.P. Danilova, O.G. Egorov, спектре в длинноволновую сторону. Это свидетельствует A.N. Imenkov, M.V. Stepanov, V.V. Sherstnev, о том, что происходит компенсация коротковолнового Yu.P. Yakovlev смещения длинноволновым, что может быть связано с уменьшением ширины запрещенной зоны вследствие A.F.Ioffe Physicotechnical Institute, увеличения концентрации неравновесных носителей [9] Russian Academy of Sciences, или вследствие нагревания.

194021 St.Petersburg, Russia Таким образом, исследование лазеров на основе InAsSb / InAsSbP двойных гетероструктур с узким по

Abstract

Diode lasers based on InAsSb / InAsSbP double лоском и низким пороговым током позволило прослеheterostructure with a narrow mesa stripe ( 10 µm) and дить смещение мод когерентного излучения в большом threshold current as low as 12 mA have been studied in a wide интервале токов (до 5Ith). Обнаружено, что в таких range of currents up to 5 thresholds. It was found that the spectral лазерах с увеличением тока моды смещаются в корот- modes shifted with current to the shortwavelength side almost коволновую сторону, что свидетельствует об увеличе- by the mode spacing due to the increase of the nonequilibrium carrier concentration in active layer. A speed of the shift differs нии концентрации неравновесных носителей с энергией in different current intervals and depends on the degree of single E > EF. Спектральное положение мод смещается с mode generation in laser spectrum.

увеличением тока на величину, приблизительно равную всему межмодовому расстоянию, но скорость смещения Fax: (812) 247 мод с током разная в разных интервалах токов и связываE-mail: yak@iroptl.ioffe.rssi.ru ется со степенью одномодовости спектра излучения лазера. При токах больше 4Ith концентрация неравновесных носителей настолько возрастает, что значительно уменьшается коэффициент преломления в активной области, что приводит к уменьшению оптического ограничения и выходу излучения в пассивные области.

Работа была поддержана частично Европейским Отделением Аэрокосмических исследований и разработок США (US EOARD), контракт F 6170894 C0011, частично грантом Министерства науки Российской Фередации по программе ”Оптика и лазерная физика” и частично контрактом Copernicus № CIPA-CT 94-0158.

Список литературы [1] А.Н. Баранов, Т.Н. Данилова, О.Г. Ершов, А.Н. Именков, В.В. Шерстнев, Ю.П. Яковлев. Письма ЖТФ, 18, 6 (1992).

[2] Ю.П. Яковлев, А.Н. Баранов, А.Н. Именков, В.В. Шерстнев, М.В. Степанов, А.Я. Понуровский. Квант. электрон., 20, (1993).

[3] A.N. Baranov, A.N. Imenkov, V.V. Sherstnev, Yu.P. Yakovlev.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.