WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 12 Сверхнизкие внутренние оптические потери в квантово-размерных лазерных гетероструктурах раздельного ограничения ¶ © С.О. Слипченко, Д.А. Винокуров, Н.А. Пихтин, З.Н. Соколова, А.Л. Станкевич, И.С. Тарасов, Ж.И. Алфёров Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 12 мая 2004 г. Принята к печати 17 мая 2004 г.) Теоретически и экспериментально исследованы внутренние оптические потери в лазерных гетероструктурах раздельного ограничения со сверхшироким волноводом (более 1 мкм). Установлено, что асимметричное положение активной области в сверхшироком волноводе снижает величину фактора оптического ограничения для мод высших порядков и увеличивает для них пороговую концентрацию на 10-20%. Показано, что только в асимметричных гетероструктурах раздельного ограничения расширение волновода более 1 мкм ведет к снижению внутренних оптических потерь. В асимметричном волноводе толщиной 4 мкм расчетное значение внутренних оптических потерь достигает 0.2см-1 ( 1.08 мкм). Минимальное значение внутренних оптических потерь ограничено фундаментальным пределом и определяется потерями на рассеяние на свободных носителях заряда при концентрации прозрачности в активной области. В асимметричных лазерных гетероструктурах раздельного ограничения со сверхшироким волноводом (1.7 мкм), изготовленных методом МОС-гидридной эпитаксии, достигнута величина внутренних оптических потерь 0.34 см-1.

Получена генерация на основной поперечной моде за счет существенного различия между пороговыми концентрациями фундаментальной моды и мод высших порядков. На основе полученных гетероструктур в лазерах с апертурой 100 мкм и длиной резонатора Фабри-Перо 3 мм достигнуты рекордная мощность излучения 16 Вт в непрерывном режиме генерации и максимальное значение кпд — 72%.

1. Введение зуемые решения приводили к увеличению внутренних потерь и снижению оптической мощности [12–17].

Статья продолжает цикл исследований, посвященных В работе [8] нами впервые был удачно применен разработке и созданию мощных полупроводниковых ласверхширокий асимметричный волновод с целью однозеров [1–9]. Успехи по достижению рекордных мощновременного снижения внутренних оптических потерь стей оптического излучения обусловлены оптимизацией и расходимости излучения в плоскости, перпендикупараметров лазерных гетероструктур, таких как поролярной p-n-переходу. Увеличение толщины волновода говая плотность тока, пороговое усиление, дифферендо 4 мкм позволило снизить внутренние оптические циальная квантовая эффективность, внутренние оптичепотери до 0.7 см-1 и расходимость излучения до 16-ские потери, последовательное сопротивление, темпебез существенного снижения максимальной мощности ратурная стабильность [1–10]. Было установлено, что излучения, которая составила 8.6 Вт [8].

снижение внутренних оптических потерь является решаВ данной работе теоретически и экспериментально ющим фактором, определяющим мощность оптического исследованы внутренние оптические потери в лазеризлучения полупроводникового лазера, и достигается ных квантово-размерных гетероструктурах раздельного посредством увеличения толщины волноводных слоев.

ограничения с асимметричным положением активной Подробное исследование и определение параметров области в сверхшироком волноводе. Рассмотрено влисимметричной лазерной гетероструктуры, обладающей яние асимметричного положения активной области в малыми внутренними оптическими потерями, было просверхшироком волноводе на подавление мод высших ведено нами в работе [9]. Естественным ограничением порядков. На базе оптимизированных гетероструктур, толщины симметричного волновода является выполневыращенных методом МОС-гидридной эпитаксии, были ние пороговых условий для волноводных мод высшего изготовлены полупроводниковые лазеры и исследованы порядка [11]. Генерация мод высшего порядка ведет их свойства. Получены рекордные значения: внутренних к ухудшению диаграммы направленности в плоскости, оптических потерь 0.34 см-1, выходной оптической мощперпендикулярной p-n-переходу. В то же время предности 16 Вт и коэффициента полезного действия 72%.

принимался ряд попыток по сохранению генерации только основной поперечной моды в лазерах с расширенным до нескольких микрон волноводом [12–17]. Наилучшие 2. Экспериментальные лазерные результаты по снижению расходимости излучения до структуры были достигнуты при использовании эффекта вытекания мод из волновода лазерной гетероструктуры [16,17].

Все теоретические и экспериментальные исследоваОднако, как и в других известных нам случаях, испольния проводились для лазерных квантово-размерных ге¶ E-mail: nike@hpld.ioffe.rssi.ru тероструктур раздельного ограничения с симметричным 1478 С.О. Слипченко, Д.А. Винокуров, Н.А. Пихтин, З.Н. Соколова, А.Л. Станкевич...

на свободных носителях заряда в j-м слое, S — потери на рассеяние на неоднородностях. Современный уровень технологии лазерных гетероструктур позволяет получать однородные эпитаксиальные слои, что делает величину S пренебрежимо малой. Поэтому в дальнейшем будем считать, что внутренние оптические потери определяются только процессами рассеяния фотонов на свободных носителях заряда. В данной работе для анализа использованы лазерные квантово-размерные двойные гетероструктуры раздельного ограничения классической конструкции (рис. 1). В этом случае соотношение (1) для внутренних оптических потерь на рассеяние принимает вид Рис. 1. Схематическая энергетическая диаграмма верхнего int = QW + CL + W, (2) края запрещенной зоны для лазерных гетероструктур раздельного ограничения с волноводным слоем шириной D и где QW, CL, W — внутренние оптические потери в W CLзапрещенной зоной Eg. Ширины запрещенных зон: Eg — активной области, эмиттерах и в волноводе соответCLдля эмиттера структур 1-й серии, Eg — для эмиттера в ственно.

структурах 2-й серии.

Исследования, проведенные нами [9], показали, что в лазерах с расширенным волноводом (до 1 мкм) наибольшая доля потерь приходится на поглощение в слое аки асимметричным положением активной области в волтивной области и в эмиттерных слоях. Для уменьшения новоде. Экспериментальные лазерные гетероструктуры внутренних оптических потерь есть два подхода. Первый на базе твердых растворов InGaAs / GaAs / AlGaAs изсвязан с увеличением скачка показателя преломления готавливались методом МОС-гидридной эпитаксии на на границе волновод-эмиттер. Второй заключается в установке Emcore GS-3100. В зависимости от материала увеличении толщины волноводного слоя [9]. В первом эмиттерных слоев были рассмотрены две серии струкслучае возможности ограничены существующим перечтур, схематическая зонная диаграмма которых преднем полупроводниковых материалов, а во втором — ставлена на рис. 1. Структуры 1-й серии состояли из условием возникновения мод высшего порядка.

двух широкозонных эмиттеров AlxGa1-x As с x = 0.6, волноводного слоя, выполненного из GaAs, и квантовой ямы InGaAs толщиной 90. В структурах 2-й серии 4. Селекция мод высшего порядка эмиттеры были выполнены из твердого раствора другого в многомодовых сверхшироких состава — из Al0.3Ga0.7As.

волноводах Эти две серии отличались только разностью показателей преломления между эмиттерными и волноводныНеизбежным следствием увеличения толщины волноми слоями (эффективностью волновода). Из лазерных вода лазерной двойной гетероструктуры является выгетероструктур изготавливались многомодовые лазеры полнение пороговых условий для мод высшего порядка с контактом шириной 100 мкм и длиной волны излученаряду с фундаментальной модой [18]. Известно три ния 1мкм.

подхода, позволяющих селектировать моды высшего порядка. Первый связан с увеличением потерь на по3. Основные определения глощение мод высшего порядка в сильно легированных эмиттерных слоях [11]. Во втором подходе селекция Оптические потери для лазерной гетероструктуры мод высшего порядка осуществляется за счет использоскладываются из потерь, связанных с выходом излувания конструкции, обеспечивающей вытекание мод из чения из резонатора (ext), и потерь, обусловленных основного волновода [16]. В третьем подходе селекция процессами, происходящими внутри лазерной гетеромод высшего порядка осуществляется за счет разницы структуры (int). Внутренние оптические потери связапотерь, связанных с выходом излучения из резонатора ны в основном с рассеянием фотонов на свободных через просветленную грань зеркала. Это достигается носителях заряда и неоднородностях слоев (S). Обза счет отклонения угла между плоскостью зеркала щее соотношение для внутренних оптических потерь резонатора и плоскостью волновода от прямого [19].

на рассеяние света int в лазерной гетероструктуре В этом случае потери на выход для мод высшего порядка определяется следующим выражением:

в плоскости, перпендикулярной p-n-переходу, будут выше, чем для фундаментальной моды. Перечисленные int = j + S, (1) jm подходы связаны с увеличением полных оптических погде — фактор оптического ограничения для мо- терь в лазере, что не согласуется с концепцией мощных jm ды m в j-м слое, j — потери на рассеяние света полупроводниковых лазеров, развиваемой нами.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Сверхнизкие внутренние оптические потери в квантово-размерных лазерных гетероструктурах... Условие порога генерации в лазере может быть записано в следующем виде:

g(nQW, pQW) =int + ext, (3) QW где g(nQW, pQW) — материальное усиление активной среды, nQW, pQW — пороговые концентрации электронов и дырок в активной области, — фактор оптического QW ограничения активной области. Следует ометить, что пороговые концентрации электронов и дырок в исследуемых гетероструктурах не совпадают вследствие выброса электронов из недостаточно глубокой квантовой ямы для электронов в активной области [1,9].

Из условия порога генерации (3) следует, что повлиять на выполнение пороговых условий можно, варьируя величину пороговой концентрации свободных носителей Рис. 2. Зависимости внешних оптических потерь (ext ) от заряда, фактора оптического ограничения для соответтолщины волновода D для нулевой (1), первой (2), второй (3), ствующей моды или изменяя баланс полных оптических третьей (4), четвертой (5), пятой (6) и шестой (7) мод потерь между фундаментальной модой и модами высшелазерных диодов с длиной резонатора L = 4 мм, выполненных го порядка. Соотношение для g(nQW, pQW), связывающее на базе гетероструктур 2-й серии с эмиттерами из Al0.3Ga0.7As.

материальное усиление в активной области и концентрацию свободных носителей заряда в квантовой яме, полученное экспериментальным путем в работе [20], позволяет выразить пороговые концентрации электронов и дырок, используя соотношение (3), следующим образом:

2[int(nQW) +ext] nQW = n0 exp, (4) gQW 2[int(pQW) +ext] pQW = p0 exp, (5) gQW где n0, p0 — концентрации прозрачности для электронов Рис. 3. Зависимости пороговой концентрации электронов nQW и дырок, g0 — коэффициент усиления. Коэффициенты от толщины волновода D для нулевой (1), второй (2), n0, p0, g0 — были определены экспериментальным четвертой (3) и шестой (4) мод лазерных симметричных путем. Они характеризуют свойства материала активной гетероструктур 2-й серии с эмиттерами из Al0.3Ga0.7As. Длина области и не зависят от конструктивных особенностей резонатора лазерных диодов L = 4 мм.

лазерной гетероструктуры [20].

Расчет пороговых концентраций (4), (5) для фундаментальной моды и мод высшего порядка в зависимости от толщины волновода. При этом расчет внутренних от толщины волновода включает в себя расчет внешних оптических потерь int(nQW) для фундаментальной моды оптических потерь, в котором необходимо учитывать и мод высшего порядка проводился с использованиразличие коэффициентов отражения для разных мод и ем подхода, развитого в нашей работе [9]. Подробное их зависимость от толщины волновода [19]. Подробному рассмотрение и расчет внутренних оптических потерь исследованию коэффициента отражения в диэлектричедля мод высшего порядка в отдельных слоях лазерных ском волноводе было посвящено достаточное количегетероструктур приведен далее. В расчетах внутренних ство работ [19, 21–25]. В наших расчетах мы испольоптических потерь и пороговых концентраций длина зовали простейшую модель, основанную на вычислении резонатора Фабри-Перо лазерного диода была выбрана среднего коэффициента отражения в диэлектрическом равной 4 мм. При таких длинах резонатора в зависимоволноводе. Средний коэффициент отражения суммирости величины усиления от концентраций (g(nQW, pQW)) вался из коэффициентов отражения в различных слоях эффект насыщения усиления несуществен [20].

гетероструктуры, взятых пропорционально их объемам.

Результаты расчетов для симметричной лазерной гетеНа рис. 2 приведены зависимости внешних оптических потерь для различных мод от толщины лазерного вол- роструктуры 2-й серии с волноводом меньшей эффективности (с эмиттерами из твердого раствора Al03Ga0.7As) новода. Результаты расчета хорошо согласовывались с приведены на рис. 3. Баланс пороговых концентраций данными работ [19, 21–25].

Используя расчетные значения внешних оптических фундаментальной моды и мод высшего порядка зависит потерь от толщины волновода, согласно выражени- от многих параметров. В частности, он зависит от ям (3)-(5), были проанализированы зависимости поро- эффективности волновода ( n) и длины волны излуговых концентраций носителей заряда в активной обла- чения (), которые определяют величину и характер сти для фундаментальной моды и мод высшего порядка зависимости коэффициента отражения от толщины волФизика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 1480 С.О. Слипченко, Д.А. Винокуров, Н.А. Пихтин, З.Н. Соколова, А.Л. Станкевич...

яме и в результате некоторого увеличения пороговой концентрации после достижения порога генерации.

Как уже отмечалось, в симметричных сверхшироких волноводах существует несколько поперечных мод. В качестве примера рассмотрим гетероструктуру 2-й модельной серии (с эмиттерами из твердого раствора Al0.3Ga0.7As) с толщиной волновода 1.7 мкм. В этом случае волновое уравнение имеет три решения, которым соответствуют 3 устойчивые конфигурации поля (рис. 4).

Pages:     || 2 | 3 |



© 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.