WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1 Генератор терагерцевого излучения, основанный на нелинейном преобразовании частоты в двойном вертикальном резонаторе ¶ † © Ю.А. Морозов, И.С. Нефедов, В.Я. Алешкин, И.В. Красникова Институт радиотехники и электроники Российской академии наук, 410019 Саратов, Россия Институт физики микроструктур Российской академии наук, 603950 Нижний Новгород, Россия † Саратовский государственный технический университет, 410054 Саратов, Россия (Получена 1 июня 2004 г. Принята к печати 16 июня 2004 г.) Проанализирована возможность создания лазера с вертикальным резонатором, в котором для генерации излучения дальнего инфракрасного диапазона используется трехволновое смешение на решеточной нелинейности системы GaAs / AlGaAs. Показано, что применение двойного брэгговского резонатора с параметрами, удовлетворяющими настройке как на частоты высокочастотных колебаний — источников нелинейной поляризации, — так и на разностную частоту позволяет увеличить интенсивность излучения в дальнем инфракрасном диапазоне. Плотность мощности оптического излучения с длиной волны 49.5 мкм составляет приблизительно 5 · 10-4 мкВт / мкм2 при плотности тока накачки 5 кА / см2. Для токовой накачки предложено использовать внутрирезонаторные контакты, расположенные вблизи узла волны на разностной частоте, что позволяет свести к минимуму поглощение излучения свободными носителями заряда.

1. Введение колебаний, ответственных за создание нелинейной поляризации 2-го порядка, в лазере с вертикальным резонаСоздание источников когерентного оптического излу- тором может более чем на порядок превосходить соотчения в средней и дальней части ИК диапазона остается ветствующую величину для полоскового лазера. Кроме актуальной проблемой, несмотря на заметные успехи, того, в лазере с вертикальным резонатором может быть, достигнутые с помощью квантово-каскадных лазеров [1]. по-видимому, достигнут больший коэффициент перекрыОсновным принципом, положенным в основу альтерна- тия (в поперечном сечении) наведенной нелинейной поляризации и моды излучения на разностной частоте.

тивного подхода к созданию генераторов в дальнем и среднем ИК диапазоне, является, по-видимому, нели- Принцип, положенный в основу лазера [5], развит нами в лазерной структуре с двойным вертикальным резонейное преобразование частоты. Этот принцип активно развивается с начала 70-х годов прошлого века приме- натором [6]. В этой работе показано, что применение нительно к устройствам, в которых нелинейное трехвол- дополнительного резонатора, настроенного на частоту разностной гармоники, позволяет на один–полтора поновое смешение реализуется во внешнем нелинейном кристалле (например, [2]). В последнее время предло- рядка повысить плотность мощности излучения в среджено несколько генераторов, в которых нелинейное пре- ней части ИК диапазона (13 мкм). Заметим, что лазер с вертикальным резонатором, в котором реализуется образование частоты с формированием излучения разспособ удвоения частоты на решеточной нелинейности ностной частоты в среднем ИК осуществляется в самом системы GaAs / AlGaAs, рассмотрен в [7].

лазере [3–5]. При этом предполагается, что излучение, формирующее нелинейную поляризацию среды, являет- Настоящая работа посвящена изложению результатов численного исследования характеристик оптического изся двухчастотным в ближнем ИК диапазоне. В лазере лучения дальнего ИК диапазона ( 50 мкм), генерируеполосковой конструкции с излучением через торцевую мого вследствие нелинейного преобразования частоты в грань, предложенным в [3], одним из главных прелазере, впервые предложенном в [6]. Следует заметить, пятствий для реализации оптимальных характеристик что квантово-каскадный лазер для дальнего ИК диапазоявляется трудность в обеспечении согласования фазовых на (66 мкм) [8] работоспособен только в условиях глускоростей волны нелинейной поляризации на разностбокого охлаждения (до температур порядка 10-50 K).

ной частоте и волноводной моды на этой же частоте (phase-matching conditions). В лазере с вертикальным резонатором, который предложен нами недавно [5], в 2. Схематическое представление этом нет необходимости, поскольку длина резонатора не лазерной структуры превышает длины когерентности lc = / k ( k —разность волновых чисел волны нелинейной поляризации На рис. 1 показано схематическое изображение и волноводной моды на разностной частоте). В то же рассматриваемой лазерной структуры. Два квантововремя значение электрического поля высокочастотных размерных активных слоя 7 на основе системы ¶ E-mail: mor@ire.san.ru InxGa1-x As / GaAs, обеспечивающие генерацию на длиГенератор терагерцевого излучения, основанный на нелинейном преобразовании частоты... увеличивает амплитуду электрического поля разностной частоты в области его взаимодействия с нелинейной поляризацией на этой частоте. При этом, как показывает анализ, возрастает эффективность нелинейного преобразования частоты и, следовательно, плотность мощности излучения в среднем ИК диапазоне. Дополнительные (настроечные) слои AlAs 5, 5, примыкающие изнутри к брэгговским отражателям второго набора, позволяют обеспечить точную подгонку резонансной частоты внешнего резонатора к частоте разностной гармоники.

Понятно, что для колебаний в дальнем ИК диапазоне толщина слоев БЗ второго набора составляет величину порядка нескольких микрон. Поэтому в качестве предпочтительного способа изготовления таких зеркал, повидимому, может быть использовано напыление, в том числе и другой пары полупроводниковых (диэлектрических) материалов, прозрачных в указанном диапазоне.

Рис. 1. Схематическое изображение лазерной структуры: 1, Известно, что поглощение свободными носителями и 2, 2 — верхнее и нижнее Брэгговские зеркала (набор 2 и заряда является одной из главных причин, вызывающих соответственно); 3, 3 — p- и n-контакты; 4 — слои нелинейнопотери оптического излучения в дальнем ИК диапаго преобразования; 5, 5 — настроечные слои; 6, 6 —оксидные зоне. Поэтому, для того чтобы обеспечить приемлемую окна; 7 — активные слои.

добротность резонатора, настроенного на излучение с длиной волны r, все брэгговские зеркала выполняются из нелегированных слоев. Как показывает анализ, при заданной геометрии источников профиль стоячей волны нах волн 1,2 из ближнего ИК диапазона ( 1мкм), нелинейной поляризации 2-го порядка таков, что ее узел разделены слоем Al0.2Ga0.8As. Толщина последнего составляет приблизительно четверть среднего значения m располагается между активными слоями. Поэтому для токовой накачки могут быть применены сильно легиродля длин волн 1,2 (с учетом показателя преломления).

ванные p- и n-контактные слои 3, 3, располагающиеся При этом пучности продольного распределении поля в внутри резонаторов вблизи активных слоев, а следоактивных областях, соответствующие одному из высовательно, и вблизи узла стоячей волны на разностной кочастотных колебаний, приблизительно приходятся на частоте. При этом поглощение излучения дальнего ИК узлы для другого высокочастотного колебания. В ресводится к минимуму. Для ограничения тока и оптичезультате снижается влияние каждого из активных слоев ских полей в поперечном сечении лазера используютна поле, усиливаемое (или поглощаемое) в соседнем ся оксидные (AlO) апертуры (окна). Оказывается, что активном слое. Нелинейное трехволновое смешение, приемлемая мощность в дальнем ИК диапазоне может приводящее к генерации волны на разностной частоте, быть достигнута только в случае применения оксидных происходит в основном в слоях 4, которые мы называокон с диаметром, значительно превосходящим длину ем слоями нелинейного преобразования (Al0.2Ga0.8As).

волны излучения на разностной частоте. Поэтому в Колебаниям на разностной частоте соответствует длина качестве первого приближения для анализа электродинаволны излучения в воздухе r. В рассматриваемом мических характеристик рассматриваемого лазера можлазере мы предлагаем использовать два набора брэгно использовать приближение геометрической оптики, говских отражателей, выполненных из чередующихся т. е. плоских однородных волн, распространяющихся в четвертьволновых слоев GaAs / AlAs. Один из набовертикальном направлении (поперек слоев структуры).

ров 2, 2 (условно названный „первым“) ограничивает Анализ влияния многомодового в поперечном сечении вертикальный резонатор, настроенный на колебания с состава излучения на мощностные и спектральные хадлинами волн 1,2. Причем эти колебания принадлежат рактеристики лазера мы оставляем до следующих работ.

соседним продольным модам упомянутого резонатора, что обеспечивает его минимальные размеры. Брэгговские зеркала (БЗ) 1, 1 из второго набора настроены 3. Основные уравнения и результаты на отражение волны на разностной частоте и являютрасчетов ся прозрачными на длинах волн 1,2. Таким образом, рассматриваемая лазерная структура образована двумя Распределение полей высокочастотных мод и коэффивертикальными резонаторами, один из которых вложен циент усиления в активных слоях лазера рассчитывались в другой. Внутренний резонатор обеспечивает условия на основе решения краевой задачи на собственные генерации в ближнем ИК диапазоне. Внешний резонатор значения волнового уравнения в области комплексного при точной настройке на длину волны r значительно переменного. Причем одна из частей (действительная Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 126 Ю.А. Морозов, И.С. Нефедов, В.Я. Алешкин, И.В. Красникова Прежде всего для правильных оценок мощности оптического излучения, получаемого в результате нелинейного преобразования, необходимо проанализировать дисперсию нелинейной восприимчивости (коэффициента d14) арсенида галлия вблизи частоты фононного резонанса (поперечного оптического фонона). Совсем недавно появилась экспериментальная работа [9], позволяющая уточнить значения параметров C1,2,3, определяющих частотную зависимость d14(3, 2, 1) в соответствии с выражением (8) из статьи Майера и Кейлманна [10]. На рис. 2 показан график нормированного значения нелинейной восприимчивости e d14(r, 1, 2)/d14 как функции длины волны r при условии, что 1,2 располагаются симметрично относительно среднего значения m, т. е. 2,1 = m ±. Здесь Рис. 2. Зависимость нормированного значения элемента d14 e d14 = 170 · 10-12 м/ В [7] — величина электронного тензора нелинейной восприимчивости от длины волны развклада в нелинейную восприимчивость. При расчетах ностной гармоники.

мы воспользовались значениями частоты TO = 8.02 ТГц и параметра затухания TO = 0.06 ТГц поперечного оптического фонона, взятыми из обзора Блэкмора [11]. Из или мнимая) первого комплексного собственного зна- рассмотрения графика следует, что вблизи резонансной чения определяет геометрию структуры для колебания частоты нелинейность 2-го порядка существенно увес заданной длиной волны 1, а другая — коэффициент личивается, затем на длине волны r 60 мкм обраусиления в первом активном слое. Второе собственное щается почти в нуль, а при дальнейшем увеличении значение определяет длину волны генерации 2 и усиле- длины волны разностной гармоники снова возрастает.

Таким образом, рассматриваемый способ нелинейного ние во втором активном слое. При этом проводился учет как потерь излучения в материале многослойной струк- преобразования частоты на решеточной нелинейности GaAs будет, по-видимому, неэффективным в непосредтуры, так и потерь обусловленных излучением через ственной близости от 60 мкм. В то же время вблизи верхние БЗ. Пороговые токи определялись из стационарчастоты фононного резонанса при условии обеспечения ного решения скоростного уравнения для концентрации разумного компромисса между увеличением нелинейной носителей в активных слоях. Детальное описание этого восприимчивости и потерь (которые также возрастают подхода можно найти в [5].

вблизи частоты TO и тем самым снижают эффективИзвестно, что в кристаллах типа цинковой обманки, ность трехволнового смешения) существует, вероятно, выращенных на подложках с основной кристаллогравозможность создать лазер с приемлемыми выходными фической ориентацией (100), невозможно нелинейное характеристиками. Как пример реализации такого гесмешение плоских волн, распространяющихся в однератора, мы рассматриваем в данной работе лазер с ном направлении. Однако в структурах с наклонным длиной волны разностной гармоники, приблизительно расположением подложки рассматриваемое нелинейное составляющей 50 мкм. При этом значение элемента преобразование может быть реализовано, что и было d14 60 · 10-12 м/ В.

с успехом продемонстрировано [7]. В этой работе КаДля нахождения электрического поля Er на разностнеко с соавт. сообщается о генерации второй гармоной частоте решалось неоднородное волновое уравнение ники (0.5 мкм) в лазере с вертикальным резонатором с заданными сторонними источниками:

на основе системы GaAs / AlGaAs на подложке (311).

Поэтому для определенности, будем полагать, что рас2 + 2Er = - p =, (1) сматриваемый нами лазер с двойным вертикальным резонатором также выращен на подложке GaAs с оригде 2 = d2/dz — лапласиан; = k0 —волновое ентацией (311). Учитывая преобразование компонент число; — относительная диэлектрическая проницаеполей при повороте системы координат, можно покамость; k0 = 2/r. Общее решение этого уравнения в зать, что нелинейная поляризация 2-го порядка выра- однородном слое с граничными условиями Er (0) =Er0, жается следующим образом: p = 20d14E(1)E(2). Здесь dEr(0)/dz = Er0 известно:

d14 — элемент тензора нелинейной восприимчивости;

Er = 27/(11/ 22) 0.523 — коэффициент, обусловлен- Er (z ) =Er0 cos z + sin z ный преобразованием поворота от плоскости (100) к z (311); 0 — диэлектрическая проницаемость вакуума;

E(1,2) — амплитуда электрического поля колебаний + sin (z - ) ( )d. (2) (источников) с длинами волн 1,2.

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.