WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 12 Акустоэлектронное взаимодействие в лазерных гетероструктурах InGaAsP/InP © Л.А. Кулакова Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия E-mail: L.Kulakova@mail.ioffe.ru (Поступила в Редакцию 21 февраля 2005 г.) Исследована динамика изменения спектральных характеристик излучения лазерной гетероструктуры под влиянием переменной деформации, обусловленной поверхностной акустической волной. Выполнены исследования спектрального распределения интенсивности лазерного излучения с целью выявления механизмов взаимодействия в исследуемых структурах. Предложена модель и проведен теоретический анализ полученных экспериментальных результатов. Показано, что определяющую роль при воздействии поверхностными волнами играет акустоэлектронное взаимодействие. Из сравнения теоретических расчетов с экспериментальными данными получены значения девиации наблюдающейся частотной модуляции излучения.

Работа поддержана программой „Фундаментальные исследования в области физических наук“ Министерства науки и образования РФ (№ 37.029.1.1.0029/1) и Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 04-02-16205).

1. Введение в виду пространственные соотношения длины волны звука и толщины активной области, обеспечивающие Известно, что упругая деформация, благодаря дефорсоответствующие временные параметры воздействия пемационному потенциалу, приводит к изменению как ременной деформации на активную область структусвойств электронной подсистемы в полупроводниках, в ры. Для объемного звука волна, распространяясь почастности к изменению ширины запрещенной зоны [1,2], перек активного слоя гетероструктуры, легко обестак и к изменению диэлектрической проницаемости [3,4].

печивала выполнение соответствующего соотношения Можно ожидать, что эффект изменения ширины запреa, где a — толщина активного слоя гетерострукщенной зоны в присутствии деформации будет проявтуры (a 200 ), — длина волны звука ( 400 µm).

ляться в лазерных гетероструктурах, приводя к изменеБлагодаря этому можно рассматривать меняющиеся во нию условий генерации, изменяя спектральные хараквремени электронные и оптические параметры структеристики излучения, в частности частоту генерации.

туры с периодом воздействия переменной деформации, Изменение коэффициента преломления лазерного резообусловленной в нашем случае объемной ультразвунатора в присутствии деформации должно также влиять ковой волной. В случае поверхностного звука волна на спектральные характеристики излучения. Ранее [5] распространяется в плоскости активного слоя, т. е. роль нами экспериментально было обнаружено возникновепараметра a играет ширина активного слоя, в данном ние частотной модуляции излучения гетеролазера в случае ширина d контактного полоска (электрического присутствии переменной деформации, обусловленной контакта, через который подводится рабочий ток). Для объемной ультразвуковой волной. В настоящей работе обеспечения выполнения указанного выше соотношения изложены первые результаты исследования механизма была создана структура с d = 6 µm. Такая структура деформационного воздействия поверхностных ультрабыла смонтирована на подложку (рис. 1). Поверхностная звуковых волн на характеристики излучения лазерных волна (с частотой 10 MHz), возбуждаемая встречногетероструктур InGaAsP/InP.

штыревыми преобразователями (рис. 1), распространялась по пьезоподложке из LiNbO3 в Z-направлении.

Длительность и задержка импульса ПАВ могли изме2. Методика эксперимента няться, чтобы обеспечить различные режимы полноС целью создания базы для проведения исследо- го или частичного перекрытия с импульсом рабочего ваний акустоэлектронного и акустооптического взаи- тока гетеролазера. В качестве объекта исследований использовались лазерные гетероструктуры InGaAsP/InP модействий в гетеролазерах посредством воздействия поверхностных волн разработана технология форми- (длина оптического резонатора = 750 µm), работающие рования гетероструктур на диэлектрических пьезопод- при комнатных температурах в импульсном режиме с ложках YZ-среза LiNbO3, являющихся звукопроводом длительностью до 3 µm на длине волны 1.48 µm. Породля поверхностных акустических волн (ПАВ) Рэлея. говый ток имел значение 30-35 mA, рабочие токи Iop Геометрия воздействия поверхностной волной отлича- изменялись в интервале от порогового до его трехется от ситуации с объемной волной [5]. Имеются кратного значения (Iop =(1-3)Ith). Полуширина линии Акустоэлектронное взаимодействие в лазерных гетероструктурах InGaAsP/InP кания ЭФП от длины волны к обратной (или наоборот).

Это лишний раз подтверждает правильность нашей трактовки о частотной модуляции излучения под влиянием звука, а также свидетельствует в пользу более стабильного излучения вновь полученных структур. Поэтому именно эти образцы были использованы для постановки и проведения исследований механизма воздействия упругих волн на лазерные гетероструктуры, обеспечивающего соответствующее изменение спектральных характеристик генерируемого излучения. Напомним, что Рис. 1. Схема возбуждения поверхностных акустических волн:

такое воздействие может осуществляться в основном 1 —ВЧ-импульс, 2 — встречно-штыревые преобразователи, 3 — ПАВ, 4 — тонкая металлическая пленка, 5 — лазерный посредством двух известных нам механизмов.

диод, 6 — лазерный луч, 7 —пьезоподложка, 8 — электриче1) Акустооптическое взаимодействие обусловливает ские контакты.

изменение во времени диэлектрической проницаемости, а следовательно, и коэффициента преломления n.

Такое изменение определяется величиной ультразвуковой деформации S [3] и соответствующей компоненты j излучения 0.1-0.2 nm. Регистрация излучения провоpi j модуля фотоупругости дилась в трех конфигурациях: 1) прямое измерение;

2) после эталона Фабри–Перо (ЭФП), динамический ni = 1/2(0)3/2 pi jS0 sin t, (1) j дисперсионный диапазон которого равен 18.25 ; 3) посредством анализа спектра излучения с использованием где i = mn, j = lk (m, n, l, k = 1, 2, 3). Модуляция коэфспектрометра МДР23, модифицированного для приема фициента преломления приводит к соответствующему импульсного излучения.

изменению резонансных частот k оптического резонатора гетероструктуры 3. Результаты и их обсуждение k n =, (2) k n Проведенные эксперименты показали, что картина динамики изменения спектральных характеристик излугде k — номер резонансной частоты.

чения (в масштабе реального времени), полученная с 2) Акустоэлектронное взаимодействие приводит к изпомощью ЭФП, в присутствии ПАВ качественно аналоменению ширины запрещенной зоны активной области гична наблюдавшейся ранее при воздействии объемными (Eg = Eg + Eg) гетероструктуры, которое определяетволнами [5]. Введение звука (при совпадении импульса ся величиной ультразвуковой деформации и соответствузвука по времени с импульсом рабочего тока) привоющей константой деформационного потенциала [1] j дит к почти 100% амплитудной модуляции импульса материала активного слоя излучения с частотой, равной частоте ультразвуковой волны. При увеличении частоты звука наблюдается Eg = S0 sin t. (3) j j соответствующее этому уменьшение периода модуляции импульса излучения. При уменьшении задержки импульИзменение ширины зоны должно приводить к соотса тока, приводящего к частичному перекрытию этих ветствующему изменению во времени как квантовой импульсов, наблюдается соответствующая частичная моэффективности лазерной структуры, так и частоты макдуляция импульса излучения. Совершенно очевидно, что симального усиления наблюдаемая модуляция является следствием изменения пропускания ЭФП из-за частотной модуляции прохоm = m + 2F sin t, (4) дящего через него излучения. Максимальный диапазон частотной перестройки в рамках одного полупериода F — амплитуда частотной модуляции (девиация) может звуковой волны можно оценить, воспользовавшись мето- быть вычислена из (3): F = S0/h (для чего необходиj j дикой, представленной в [5]. В результате такой оценки мо знание величины константы деформационного потенполучаем значение амплитуды модуляции до 4-4.5 циала и амплитуды деформации упругой волны) либо из (при акустической мощности 1-2W), близкое к оцен- экспериментальных данных по изменению спектра под кам, полученным для объемных волн. влиянием деформации.

Дополнительно к эксперименту с воздействием объем- Знание роли и относительного вклада этих механых волн при воздействии ПАВ нам удалось наблюдать низмов имеет не только фундаментальное, но и важсмену фазы модуляции (на 180) пропускания ЭФП при ное практическое значение. Последнее обстоятельство увеличении рабочего тока до значений, обеспечивающих стимулирует поиск структур, в которых будут внопрохождение всего дисперсионного диапазона эталона, а сить эффективный вклад оба механизма взаимодействия, следовательно, переход от прямой зависимости пропус- причем необходимо, чтобы результаты воздействия на Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 2230 Л.А. Кулакова электронные и оптические свойства приводили к сложению эффектов. В таком случае возможно наиболее эффективное управление спектральными характеристиками гетероструктур.

Проанализируем один из возможных механизмов наблюдавшейся частотной модуляции. Если такая модуляция является следствием модуляции ширины запрещенной зоны Eg, вводимой деформацией S(t) sin t, т. е. Eg sin t, то помимо наблюдения частотномодулированной компоненты следует ожидать проявления модуляции квантовой эффективности, а следовательно, и коэффициента усиления из-за модуляции концентрации возбужденных электронов. Поскольку глубина модуляции Eg, по нашим оценкам, невелика и имеет Рис. 2. Спектральное распределение излучения гетеролазера;

величину 10-3, этот эффект должен наблюдаться в 1, 3 — экспериментальные данные без упругой волны и в непосредственной близости от порога генерации, т. е.

ее присутствии соответственно, 2 — теоретическая подгонка должно выполняться соотношение (Iop - Ith)/Ith 1.

исходного распределения, согласно (5); a–d — теоретический При этом важно, чтобы гетероструктура была в высокой расчет изменения распределения (согласно (7)) под влиянием степени однородной по длине лазерного резонатора.

ПАВ с амплитудой перестройки длины волны излучения Наши измерения тонкой структуры интенсивности из s = 4, 4.5, 5, 5.5 соответственно.

лучения вблизи порога с использованием режима прямого детектирования быстро нарастающих процессов (высокоскоростного — d 5ns) приемного фотодиода посредством ЭФП. Поэтому он позволяет получать дани относительно широкополосного (полоса до 400 MHz) ные о тонкой структуре спектра излучения и является усилителя и осциллографа (полоса 100 MHz) выявили удобным методом для решения поставленной задачи амплитудную модуляцию генерируемого излучения с о выявлении различных механизмов взаимодействия.

периодом, равным периоду звуковой волны. ВеличиВкратце поясним, как может изменяться наблюдаемая на амплитудно-модулированной компоненты составляла спектральная картина под влиянием ультразвука для около 10% от уровня излучения в припороговой обласлучаев различных механизмов взаимодействия.

сти, далее с возрастанием рабочего тока абсолютное Как известно, на выходе спектрометра регистрируется значение ее практически не менялось, а процентное усредненная во времени картины спектра, т. е. одна или соотношение падало до 10-1-10-2%, как и следовало несколько линий (в зависимости от режима генерации:

бы ожидать. Поэтому с возрастанием рабочего тока (при одночастотного или многочастотного). Ширина линий уходе от порога генерации) эта компонента становится определяется добротностью, расстояние между ними — незначительной по сравнению с уровнем генерации.

длиной оптического резонатора структуры, интенсивТаким образом, обнаруженная компонента амплитудной ность линий и их количество — положением (на оси модуляции является, с одной стороны, принципиальным частот) и шириной линии усиления активного слоя.

свидетельством воздействия переменной деформации на электронную систему активной области гетеролазера, Введение звука в случае преобладающего акустоопс другой стороны, демонстрирует высокое качество ис- тического взаимодействия должно приводить к колебаследуемых структур. Таким образом, все это свидетель- нию линий излучения вокруг равновесного положения ствует в пользу заметного вклада акустоэлектронного со скоростью изменения ультразвуковой деформации.

взаимодействия. Однако все наблюдавшиеся эффекты При усреднении спектра во времени такой процесс являются необходимыми, но недостаточными для утвер- будет приводить к видимому уменьшению интенсивждения преимуществ акустоэлектронного относитель- ности линии в центре и ее уширению. Аналогичный но акустооптического взаимодействия. Разделить эти эффект следует ожидать и в случае акустоэлектронного вклады, по нашему мнению, можно, лишь, используя взаимодействия, однако все эти особенности должны спектрометрические данные. относиться уже к линии усиления. В этом случае будет наблюдаться перераспределение интенсивности линий Для выявления роли указанных механизмов в работе излучения: интенсивность основной равновесной линии проведен спектральный анализ излучения посредством должна уменьшаться, а боковые линии — возрастать.

анализатора спектра МДР23, модифицированного для регистрации быстро протекающих процессов. Исследо- На рис. 2 (кривая 1) представлены эксперименальные вание спектрального распределения лазерного излуче- данные спектрального распределения интенсивности изния представляет собой статический вариант спектраль- лучения исследуемой гетероструктуры, где в качестве ного анализа в отличие от динамического анализа спек- переменной использовано отклонение длины волны тра, осуществляемого в реальном масштабе времени излучения от длины волны 0 регистрируемой макФизика твердого тела, 2005, том 47, вып. Акустоэлектронное взаимодействие в лазерных гетероструктурах InGaAsP/InP симальной интенсивности: = - 0, 0 = 1.48 µm. за счет колебаний во времени линии усиления. Все эти Введение поверхностной волны (кривая 3 на рис. 2) результаты указывают на преобладающую роль акустоприводит к описанному выше перераспределению ин- электронного взаимодействия в данных условиях.

тенсивности излучения между линиями, в то время как заметного уширения линий не наблюдается.

4. Заключение Проанализируем полученные данные. Поскольку из-за природы эффектов линия усиления лазерной гетероВ работе получены следующие результаты.

структуры не является симметричной, для ее описания Разработана и реализована методика эффективномы воспользуемся функцией распределения Гаусса с го возбуждения в лазерных гетероструктурах поверхдвумя максимумами ностных звуковых волн. Осуществлено возбуждение ультразвука с частотой 10 MHz в гетероструктурах 2( - m1)I( ) =I0 + A1 exp InGaAsP/InP.

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.