WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 11 Нелинейное преобразование частоты в лазере с двойным вертикальным резонатором © Ю.А. Морозов¶, И.С. Нефедов, В.Я. Алешкин Институт радиотехники и электроники Российской академии наук, 410019 Саратов, Россия Институт физики микроструктур Российской академии наук, 603600 Нижний Новгород, Россия (Получена 27 января 2004 г. Принята к печати 9 марта 2004 г.) Проведен подробный анализ оптических характеристик лазера с двойным вертикальным резонатором, использующим решеточную нелинейность структуры GaAs/AlGaAs для генерации излучения в средней части инфракрасного диапазона. Определены условия, позволяющие в непрерывном режиме реализовать мощность излучения 0.1 мВт на длине волны 13 мкм при плотности тока накачки 5 кА/см2.

1. Введение 104-105 В/см, а значение элементов тензора нелинейной восприимчивости для указанной структуры составляИсточники излучения в средневолновой части ин- ет 10-8 см/В; при этом нелинейная поляризация в фракрасного (ИК) диапазона (3-30 мкм) представляют объеме резонатора оказывается значительной и достабольшой интерес для применения в системах монитоточной для генерации излучения в средневолновом ИК ринга окружающей среды, спектроскопии, военных и медиапазоне с приемлемым уровнем мощности. Однако дицинских применений. К настоящему времени достигв лазере полосковой конструкции с излучением через нут значительный прогресс в освоении указанного диаторцевую грань, предложенном в [4], одним из главных пазона с помощью так называемых квантово-каскадных препятствий для реализации оптимальных характерилазеров (ККЛ) [1–3]. По совокупности показателей эти стик является трудность в обеспечении согласования лазеры по существу не испытывают конкуренции со фазовых скоростей волны нелинейной поляризации на стороны других полупроводниковых генераторов. Одразностной частоте и волноводной моды на этой же нако известно, что ККЛ отличаются весьма сложной частоте (phase-matching conditions). Недавно нами предструктурой активной области, насчитывающей сотни ложен новый лазер, в котором тот же принцип реаквантово-размерных слоев и предполагающей согласолизован в структуре с вертикальным резонатором [7].

вание волновых функций носителей в соседних слоях.

Поскольку длина резонатора лазера с вертикальным Изготовление таких лазеров доступно в настоящее вреизлучением в [7] не превышает длины когерентности мя лишь нескольким научным центрам. В том числе lc = / k ( k — разность волновых чисел волны нелии поэтому продолжается поиск возможностей создания нейной поляризации и волноводной моды на разностной новых устройств, использующих иные принципы формичастоте), нет необходимости в обеспечении условия рования излучения в среднем и дальнем ИК диапазонах.

согласования фазовых скоростей этих волн. Полезный В этой связи, например, рассматривается принцип нелиэффект достигается за счет значительного увеличения нейного преобразования частоты, обусловленный решеамплитуд высокочастотных волн — источников нелиточным [4] или электронным механизмом нелинейности нейной поляризации вследствие большой добротности в квантовых ямах [5]. При этом предполагается, что вертикального резонатора с брэгговскими зеркалами, полезное оптическое излучение будет реализовано в реобладающими коэффициентом отражения 0.995. Слезультате нелинейного смещения в лазерном резонаторе дует заметить, что известен лазер с вертикальным редвух более высокочастотных (например, из ближнего зонатором, в котором решеточная нелинейность струкИК диапазона) одновременно генерируемых колебаний.

туры GaAs/AlGaAs использована для генерации второй Кроме этого, предлагается нелинейное преобразование с гармоники в видимом диапазоне (0.5 мкм) [8].

генерацией излучения на разностной частоте выполнять В данной работе проводится обстоятельный численво внешнем устройстве, а исходные колебания формироный анализ характеристик оптического излучения, гевать в лазере со связанными резонаторами [6].

нерируемого вследствие нелинейного преобразования Нам представляется, что использование решеточной частоты в лазере с двойным вертикальным резонатором, нелинейности в структуре GaAs/AlGaAs для трехволновпервые предложенном нами [9]. Один из резонаторов вого нелинейного смещения внутри лазерного резонанастроен на частоты высокочастотных колебаний, друтора двух высокочастотных колебаний и излучения на гой — на частоту разностной гармоники. В результате, разностной частоте [4] является более многообещаюкак показывают расчеты, значительно возрастает как щим. Известно, что амплитуда электрического поля в величина нелинейной поляризации, так и запасенная лазерном резонаторе может достигать величин порядка энергия на частоте разностной гармоники в среднем ИК ¶ E-mail: mor@ire.san.ru диапазоне. Как следствие, увеличивается полезная плотНелинейное преобразование частоты в лазере с двойным вертикальным резонатором ность мощности излучения (приблизительно в 100 раз увеличивает амплитуду электрического поля разностной по сравнению с лазером, устройство которого изложено частоты в области его взаимодействия с нелинейной в [7]). поляризацией на этой частоте. При этом, как показывает анализ, возрастает эффективность нелинейного преобразования частоты и, следовательно, плотность мощности 2. Модель лазера излучения в среднем ИК диапазоне. Дополнительные (настроечные) слои AlAs, примыкающие изнутри к брэгСхематическое изображение лазерной структуры с говским отражателям второго набора, позволяют обесдвойным вертикальным резонатором приведено на печить точную подгонку резонансной частоты внешнего рис. 1. Два квантово-размерных активных слоя на оснорезонатора к частоте разностной гармоники.

ве системы InxGa1-x As/GaAs, обеспечивающих генераИзвестно, что друдевское поглощение свободными цию на длинах волн 1,2 из ближнего ИК диапазона носителями заряда является одной из главных причин, ( 1мкм), разделены слоем Al0.2Ga0.8As. Толщина повызывающих сильные нерезонансные потери оптичеследнего составляет приблизительно четверть среднего ского излучения в средневолновой части ИК диапазначения m для длин волн 1,2 (с учетом показателя зона. Поэтому, для того чтобы обеспечить высокую преломления). При этом пучности продольного распре- добротность резонатора, настроенного на излучение с деления поля в активных областях, соответствующие длиной волны r, мы предлагаем использовать в соодному из высокочастотных колебаний, приблизительно ставе всех брэгговских зеркал нелегированные слои.

приходятся на узлы для другого высокочастотного коле- Для токовой накачки могут быть применены сильно бания. В результате снижается влияние каждого из ак- легированные контактные p- и n-слои, располагающиеся тивных слоев на поле, усиливаемое в соседнем активном внутри резонаторов. При этом, кроме уменьшения послое. Нелинейное трехволновое смешение, приводящее терь оптического излучения, по-видимому, может быть к генерации волны на разностной частоте, происходит снижено последовательное сопротивление постоянному в основном в слоях, которые мы называем слоями току и, следовательно, нагрев лазерной структуры. Для нелинейного преобразования (Al0.2Ga0.8As). Колебаниям ограничения тока и оптических полей в поперечном на разностной частоте соответствует длина волны r. сечении лазера используются оксидные (AlO) апертуВ рассматриваемом лазере мы предлагаем использо- ры (окна). Как показывает предварительный анализ, вать два набора брэгговских отражателей, выполненных приемлемая мощность в среднем ИК диапазоне может из чередующихся четвертьволновых слоев GaAs/AlAs. быть достигнута только в случае применения оксидных Один из наборов (условно названный первым) ограни- окон с диаметром, значительно превосходящим длину чивает вертикальный резонатор, настроенный на колеба- волны излучения на разностной частоте. Поэтому в качестве первого приближения для анализа электрония с длинами волн 1,2, т. е. эти колебания принадлежат динамических характеристик рассматриваемого лазера соседним продольным модам упомянутого резонатора.

можно использовать приближение плоских однородных Брэгговские зеркала из второго набора настроены на отражение волны на разностной частоте и являют- волн, распространяющихся в вертикальном направлении (поперек слоев структуры).

ся прозрачными на длинах волн 1,2. Таким образом, На рис. 2 показано распределение амплитуд электрирассматриваемая лазерная структура образована двумя ческого поля (E) излучения в среднем ИК (кривая 1) вертикальными резонаторами, один из которых вложен и одного из высокочастотных собственных колебаний в другой. Внутренний резонатор обеспечивает условия (кривая 2) в направлении z, поперечном к слоям струкгенерации в ближнем ИК диапазоне. Внешний резонатор туры. Приведенным на рисунке собственным функциям при точной настройке на длину волны r значительно соответствуют собственные числа r и 1. Кривая 3 характеризует изменение толщины слоев W, образующих рассматриваемый лазер. На вставке те же зависимости, относящиеся к центральной части структуры, изображены в увеличенном масштабе. Расчеты проведены при следующих значениях параметров: 1 = 0.96 мкм, 2 = 1.037 мкм. При этом длина волны, соответствующая разностной частоте, составляет r = 12.86 мкм.

Верхнее и нижнее зеркала включают одинаковое количество периодов и образованы из 32 — набор 1 и из 11 пар слоев — набор 2. На длине внутреннего резонатора, т. е. между брэгговскими отражателями из набора 1, укладывается 31/n(1) или 2.52/n(2). Иначе говоря, колебания с длинами волн 1 и 2 формируются соседними продольными модами этого резонатора.

Рис. 1. Схематическое изображение лазерной структуры. Внешний резонатор, как легко видеть, имеет длину 2.5r 8 Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 1394 Ю.А. Морозов, И.С. Нефедов, В.Я. Алешкин Записывая выражения для зависимости высокочастотных электрических полей от продольной координаты в (1,2) (1,2) виде E(1,2) = E0 1,2(z ), где E0 — амплитудные значения в соответствующих активных слоях, и используя теорию возбуждения резонаторов внешними источниками [10], можно получить следующее соотношение для плотности мощности на длине волны r:

Pr 1 (1) (2) = E0 ES 20 r d1412er dz 1 + nr r e2dz. (1) r l l Здесь nr, r и er = Er /Ersurf — показатель преломления, Рис. 2. Абсолютные значения собственных функций резонадекремент затухания и амлитуда собственного колебатора для колебаний на разностной частоте (1) и одного из ния на разностной частоте, нормированная на значение колебаний в ближнем ИК диапазоне (2), а также толщина электрического поля этого колебания на излучающей слоев структуры (3) в зависимости от продольной координаты z. На вставке — эти же зависимости для центральной части поверхности; 0 = 120 — волновое сопротивление своструктуры в увеличенном масштабе.

бодного пространства. Интегрирование проводится по всей длине структуры l. Заметим, что выражение в знаменателе дроби в квадратных скобках описывает нормированную суммарную мощность потерь собственного с учетом показателя преломления n. Как видно, толщина колебания, обусловленных затуханием поля в материале слоев W, образующих зеркала внешнего резонатора, резонатора, а также потерь, связанных с излучением.

составляет величину 1 мкм. Поскольку ток накачки через Нормировка проведена на значение мощности потерь эти зеркала не протекает, их изготовление методом излучения собственного колебания.

напыления может рассматриваться как альтернативный Плотность мощности излучения на разностной часпособ по отношению к выращиванию методом эпитакстоте в значительной степени определяется интегралом сии. Если для изготовления зеркал будет выбрана техперекрытия нормированного значения нелинейной полянология напыления, то вместо пары GaAs/AlAs может ризации 1(z )2(z ) и собственной функции резонатора быть выбрана и другая пара материалов, прозрачных в er(z ). На рис. 3 показано поведение этих величин в рассматриваемом участке среднего ИК диапазона. При центральной области лазера. Начало отсчета оси абэтом выводы анализа, выполненного далее, качественно сцисс совмещено с серединой нижнего активного слоя.

не изменятся.

Видно, что в нелинейной поляризации (кривая 1) можно выделить быстроосциллирующую составляющую, кото3. Основные расчетные соотношения Структура тензора нелинейной диэлектрической проницаемости кристаллов типа цинковой обманки такова, что для нелинейного смешения волн, бегущих в направлении роста кристалла, необходимо, чтобы ориентация подложки отличалась от (100). Недавно было успешно реализовано удвоение частоты в лазере с вертикальным резонатором, выращенным на наклонной подложке с ориентацией (311) [8]. Поэтому для определенности будем полагать, что рассматриваемый нами лазер с двойным вертикальным резонатором также выращен на подложке GaAs с ориентацией (311).

Можно показать, что модуль нелинейной поляризации 2-го порядка, обусловленной взаимодействием колебаний, образованных волнами с амплитудами E(1), E(2) и длинами волн 1, 2, равен P = 20d14E(1)E(2). Здесь Рис. 3. Распределение нелинейной поляризации (1), ее огиd14 — элемент тензора нелинейной восприимчивости, бающей (2) и моды резонатора на разностной частоте (3) по = 27/(11 22) 0.523, 0 — диэлектрическая прони- длине резонатора. Пунктирные линии — внутренние границы цаемость вакуума. брэгговских зеркал (набор 1).

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Нелинейное преобразование частоты в лазере с двойным вертикальным резонатором рая является источником возбуждения суммарной ча- Нормированные значения коэффициентов усиления стоты, и огибающую, ответственную за формирование Gthi на пороге генерации излучения с длинами волн 1,излучения на разностной частоте. Огибающая нелиней- определялись, как обычно, из условия компенсации усиной поляризации, полученная в результате отфильтро- лением всех потерь, обусловленных как затуханием волн вывания быстропеременной компоненты, представляет в объеме резонатора, так и вытеканием через границу наибольший интерес и показана кривой 2. Из анализа с воздухом. При анализе было сделано предположение, кривых можно сделать несколько выводов. Во-первых, что частотная зависимость коэффициента усиления в огибающая поляризации является нечетной функцией и i-ом активном слое может быть представлена в виде при заданных параметрах лазера максимальные значения лоренцевского контура:

ее амплитуды приблизительно совпадают с положением внутренних границ брэгговских отражателей из первого - i 2 -Gi() =Gi0 1 + 2, набора. Следовательно, собственная функция резонатора gi на разностной частоте также должна быть нечетной, т. е.

иметь узел поля при z = 0, что и показывает кривая 3. где Gi0 — максимальное значение коэффициента усилеСобственные функции с длиной волны r, имеющие ния, gi — ширина полосы усиления.

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.