WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Генератор терагерцевого излучения, основанный на нелинейном преобразовании частоты... Параметры структуры Слой Толщина (мкм) Тип проводимости / концентрация, 1018 см-3 r, см-GaAs (БЗ 2) 3.182 Нелегированный AlAs (БЗ 2) 3.78 » GaAs (БЗ 1) 0.071 » AlAs (БЗ 1) 0.084 » Al0.2Ga0.8As (слой нелинейного преобразования) 2.747 » GaAs (контакт) 0.03 n/10 Al0.2Ga0.8As (слой нелинейного преобразования) 0.1 n/1 InGaAs / GaAs (КЯ 1 + барьер 1) 0.03 Нелегированный Al0.2Ga0.8As (слой нелинейного преобразования) 0.042 » InGaAs / GaAs (КЯ 2 + барьер 2) 0.03 » Al0.2Ga0.8As (слой нелинейного преобразования) 0.1 p/1 GaAs (контакт) 0.03 p/10 Al0.2Ga0.8As (слой нелинейного преобразования) 2.67 Нелегированный Следовательно, значения электрического поля и его про- сопротивление вакуума. Сформулированный подход не изводной на границах слоя толщиной h можно связать связан с разложением поля, наведенного сторонними следующим матричным соотношением: источниками, по собственным волнам задачи. Известно, что решение задачи на собственные значения в строгой Er (h) Er (0) постановке для систем с потерями требует нестационар= m Er (h) Er (0) ного подхода и сопряжено с большими трудностями [12].

Все расчеты проводились при следующих значениh 1 ях параметров слоев структуры (см. таблицу). Приsin (h - ) + ( )d, (3) веденным значениям параметров отвечают следующие cos (h - ) длины волн высокочастотных колебаний 1 = 0.99 мкм, 2 = 1.0102 мкм и разностной гармоники r = 49.5мкм.

где Как уже отмечалось, эффективность генерации излуcos h sin h чения на разностной частоте в значительной степени m = - sin h cos h зависит от потерь, связанных с поглощением волн, принимающих участие в процессе нелинейного преобра— матрица передачи слоя. Значения напряженности зования. Это относится и к колебаниям в ближнем ИК электрического поля и его производной по продольной диапазоне, формирующим нелинейную поляризацию, и координате (пропорциональной напряженности магнитв еще большей степени к излучению на разностной ного поля) должны быть непрерывны на границах одчастоте. Действительно, затухание волн — источников нородных слоев. Поэтому, выполняя последовательно нелинейной поляризации — определяет необходимый преобразование (3), придем к соотношению для полей уровень коэффициента усиления в активных областях на границах структуры длиной L:

и, следовательно, пороговый ток для возбуждения коEr(L) Er(0) лебаний с длинами волн 1,2. В то же время плот = Mность энергии высокочастотных электрических полей Er(L) Er(0) зависит от превышения рабочего тока над его пороdi+говым значением. С другой стороны, понятно, и анаN sin i (di+1 - ) лиз выражения (4) это подтверждает, что плотность + Mi+1 i ( )d. (4) cos i(di+1 - ) мощности излучения на разностной частоте подавляется i=di при возрастании декремента затухания r волн на этой N частоте. Значения величины r приведены в последней Здесь M = mi — произведение матриц переда j i= j строке таблицы. Главным механизмом, ответственным чи, начиная со слоя с номером j до последнего слоя с номером N; MN+1 = I — единичная матри- за ослабление волн в n-слоях, мы считали поглощение ца; d1 = 0; dN+1 = L. При заданных граничных услови- свободными носителями и воспользовались результатами обзоров [11,13]. Значительная величина потерь ях: Er(0) =0 (магнитная стенка на нижней границе), Er(L) =- jk0Er(L) (бегущая волна в вакууме) соотно- в контактном слое, легированном донорной примесью, объясняется тем, что при заданном уровне легирования шение (4) представляет собой систему неоднородных алгебраических уравнений. Решая эту систему, опреде- разностная частота излучения находится вблизи частоты лим плотность мощности излучения разностной частоты плазменного резонанса. Известно, что для слоев, легив виде Pr = |Er |2/(20), где 0 - 120 — волновое рованных акцепторной примесью, важную роль наряду Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 128 Ю.А. Морозов, И.С. Нефедов, В.Я. Алешкин, И.В. Красникова Как видно из рисунка, для лазера рассматриваемого диапазона выигрыш от наличия дополнительного резонатора, настроенного на разностную частоту, составляет приблизительно 2.5 раза.

На рис. 4 показаны резонансные кривые, т. е. зависимость плотности мощности излучения на разностной частоте от толщины ht настроечных слоев при M2 = 6.

Видно, что влияние потерь в материале слоев лазерной структуры существенно сказывается на значении максимальной интенсивности излучения. Резонансные кривые являются довольно острыми, что объясняется, во-первых, тем, что возбуждаемые нелинейной поляризацией колебания должны являться собственными функциями резонатора, и, во-вторых, должно выполняться Рис. 3. Влияние количества пар слоев в БЗ второго набора на условие максимального пространственного перекрытия плотность мощности излучения с разностной частотой.

профиля нелинейной поляризации и распределения поля с длиной волны r. На положении резонансов на оси абсцисс наличие или отсутствие потерь практически не проявляется.

На рис. 5 показано поведение амплитудного значения электрического поля разностной частоты в том же лазере при резонансной настройке внешнего резонатора.

На рисунке показана также зависимость толщины слоев структуры от продольной координаты. На вставке к рисунку в увеличенном масштабе приведено поведение тех же величин в области легированных слоев, т. е.

между контактами (выделена затененным кружком на основном рисунке). Видно, что амплитуда электрического поля в легированных слоях невелика (не превышает 0.2 · 10-3 В/ мкм). Расположение контактов вблизи узлового значения амплитуды поля волны позволяет свести к минимуму потери, связанные с поглощениРис. 4. Зависимость плотности мощности излучения с длиной ем внутри структуры. Из рисунка также следует, что волны r от толщины настроечных слоев: 1, 2 — без учета и с учетом потерь на разностной частоте соответственно. вблизи выходного сечения поле разностной гармоники в значительной степени отличается от стоячей волны.

Это обусловлено главным образом излучением волны с выходной поверхности и, кроме того, затуханием волны с поглощением свободными носителями может играть в материале слоев.

межподзонное рассеяние в валентной зоне. Поэтому для p-слоев данные получены на основе обработки экспериментальных результатов, приведенных в [14,15].

На рис. 3 показана зависимость плотности мощности излучения на разностной частоте от числа пар M2 слоев, составляющих внешние зеркала (набор 2). Количество пар слоев в зеркалах первого набора выбрано равным 35. Расчеты проведены при плотности тока накачки 5кА/ см2. Как следует из рис. 3, при заданных параметрах структуры существует оптимальное значение количества пар слоев, образующих внешние отражатели.

Анализ, проведенный в соответствии с (4), показывает, что в отсутствие поглощения в материале слоев структуры плотность мощности излучения нарастает пропорционально (n1/n2)2M, где n1 и n2 — показатели Рис. 5. Амплитуда электрического поля 1 разностной гарпреломления слоев, образующих внешние БЗ. Наличие моники и толщина 2 слоев структуры в зависимости от оптических потерь приводит к насыщению этой завипродольной координаты. На вставке в увеличенном масштабе симости и падению уровня выходной мощности при показана область легированных слоев, включающая (3) n- и дальнейшем увеличении количества пар слоев в БЗ. (4) p-контакты.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Генератор терагерцевого излучения, основанный на нелинейном преобразовании частоты... практически к любым структурам, состоящим из однородных слоев и возбуждаемым заданными сторонними источниками.

Показано, что интенсивность излучения на разностной частоте квадратично зависит от плотности тока накачки и составляет для рассматриваемого лазера величину порядка 5 · 10-4 мкВт / мкм2 при плотности тока накачки 5 кА / см2 и резонансной настройке структуры.

Плотность мощности высокочастотных колебаний, порождающих нелинейную поляризацию, приблизительно на 2 порядка больше при том же токе накачки.

Определено влияние поглощения излучения в материале резонатора на выходные характеристики лазера.

Показано, что затухание излучения дальнего ИК диапазона вследствие поглощения на свободных носителях и Рис. 6. Зависимость интенсивности излучения в дальнем 1 и рассеяния на фононах на частоте, близкой к фононному ближнем 2, 3 ИК диапазонах от плотности тока накачки. Для резонансу, является главной причиной, препятствующей графика 1 масштаб по оси ординат увеличен в 100 раз.

повышению плотности мощности излучения. В отсутствие потерь интенсивность выходного излучения должна была бы возрастать пропорционально (n1/n2)2M. При Зависимость интенсивности излучения на разностной реальном уровне декремента затухания в материале частоте и колебаний с длинами волн 1,2 от плотности слоев структуры наличие дополнительного резонатора тока накачки для лазера с оптимальным количеством пар с параметрами, удовлетворяющими условию настройки слоев во внешнем резонаторе показана на рис. 6. Как и в резонанс с разностной частотой, приводит к возрасследовало ожидать, мощность излучения с разностной танию мощности излучения приблизительно в 2.5 раза.

частотой возрастает приблизительно по квадратичному Оптимальное количество периодов в БЗ второго набора закону и составляет 5 · 10-4 мкВт / мкм2 при плотности равно 6 при условии, что период составлен из слоев тока накачки 5 кА / см2. Вследствие близости 1,2 к GaAs / AlAs. Общая толщина структуры при этом составдлине волны m = 1 мкм, на которой достигается макляет порядка 100 мкм.

симальный коэффициент отражения БЗ первого набора, Проанализировано распределение амплитудного знамоды волн-источников являются в значительной степени чения электрического поля разностной гармоники по „запертыми“ внутри резонатора — их мощность только продольной координате структуры. Показано, что один на 2 порядка больше мощности излучения на разностиз минимумов поля приходится на область легированной частоте. (Для лазера среднего ИК диапазона [6] ных слоев, и вследствие этого напряженность поля в интенсивность выходного излучения источников более контактах невелика. В результате снижается уровень чем на 3 порядка превышает интенсивность излучения, потерь излучения вследствие поглощения на свободных полученного в результате нелинейного смешения).

носителях. Показано также, что профиль поля вблизи выходного сечения значительно отличается от стоячей волны. Это обусловлено как наличием потерь в матери4. Заключение але слоев, так и излучением с поверхности.

Численными методами исследованы характеристики Работа выполнена при поддержке РФФИ–БРФФИ излучения полупроводникового лазера дальнего ИК диа(проект № 02-02-81036-Бел2002_a), РФФИ (проект пазона, в котором используется способ нелинейного № 04-02-17432), МНТЦ(проект № 2293).

преобразования частоты в структуре с двойным вертикальным резонатором.

Для токовой накачки предложено использовать вну- Список литературы трирезонаторные контакты, располагающиеся вблизи [1] M. Beck, D. Hofstetter, T. Aellen, J. Faist, U. Oesterle, узлового значения поля разностной гармоники. При M. Ilegems, E. Gini, H. Melchior. Science, 295, 301 (2002).

этом обеспечивается минимальное значение затухания [2] O. Levi, T. Pinguet, T. Skauli, L. Eyres, K. Parameswaran, оптического излучения дальнего ИК диапазона, обуJ. Harris, Jr., M. Feier, T. Kulp, S. Bisson, B. Gerard, E. Lallier, словленное поглощением на свободных носителях по L. Becouarn. Optics Lett., 27, 2091 (2002).

друдевскому механизму.

[3] В.Я. Алешкин, А.А. Афоненко, Н.Б. Звонков. ФТП, 35, Для анализа возбуждения лазерной структуры нели1256 (2001).

нейной поляризацией на разностной частоте применен [4] А.А. Белянин, Д. Деппе, В.В. Кочаровский, Вл.В. Кочаровподход, не требующий разложения поля по собственский, Д.С. Пестов, М.О. Скалли. УФН, 173, 1015 (2003).

ным функциям волноведущей структуры (резонатора).

[5] Ю.А. Морозов, И.С. Нефедов, В.Я. Алешкин. ЖТФ, 74 (5), Подход отличается общностью и может быть применен 71 (2004).

9 Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 130 Ю.А. Морозов, И.С. Нефедов, В.Я. Алешкин, И.В. Красникова [6] Ю.А. Морозов, И.С. Нефедов, В.Я. Алешкин. ФТП, 38, 1392 (2004).

[7] Y. Kaneko, S. Nakagawa, Y. Ichimura, N. Yamada, D. Mars, T. Takeuchi. J. Appl. Phys., 87, 1597 (2000).

[8] M. Rochat, L. Ajili, H. Willenberg, J. Faist, H. Beere, G. Davies, E. Linfield, D. Ritchie. Appl. Phys. Lett., 81, (2002).

[9] T. Dekorsy, M. Helm, V. Yakovlev, W. Seidel, F. Keilmann.

Phys. Rev. Lett., 90, 05550 (2003).

[10] A. Mayer, F. Keilmann. Phys. Rev. B, 33, 6954 (1986).

[11] J. Blakemore. J. Appl. Phys., 53, R123 (1982).

[12] А.С. Ильинский, Г.Я. Слепян. Колебания и волны в электродинамических системах с потерями (М., Издво МГУ, 1983).

[13] S. Adachi. J. Appl. Phys., 58, R1 (1985).

[14] W. Songprakob, R. Zallen, D. Tsu, W. Liu. J. Appl. Phys., 91, 171 (2002).

[15] W. Songprakob, R. Zallen, W. Liu, K. Bacher. Phys. Rev. B, 62, 4501 (2000).

Редактор Л.В. Беляков The terahertz generator based on nonlinear frequency conversion in a double vertical cavity Yu.A. Morozov, I.S. Nefedov, V.Ya. Aleshkin, † I.V. Krasnikova Institute of RadioEngineering & Electronics of Russian Academy of Sciences (Saratov Division), 410019 Saratov, Russia Institute for Physics of Microstructures of Russian Academy of Sciences 603950 Nizhny Novgorod, Russia † Saratov State Technical University, 410054 Saratov, Russia

Abstract

A potential possibility to create a far-infrared (FIR) vertical-cavity laser using the nonlinear three-wave mixing due to the GaAs / AlGaAs lattice nonlinearity is analyzed. Double Bragg cavity tuned to both the nonlinear polarization source frequencies and to the difference frequency is shown to increase the radiation intensity in the FIR range the emission power density is about of 5 · 10-4 µW/ µm2 at a wavelength of 49.5 µmand a pump current density of 5 kA / cm2. The intracavity contacts placed near a node of the difference frequency mode are suggested to current pumping at a minimal value of the free-carrier loss.

Pages:     | 1 ||



© 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.