WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1 Наблюдение излучения среднего инфракрасного диапазона в полупроводниковых лазерах, генерирующих две частотные полосы в ближнем инфракрасном диапазоне ¶ © В.Я. Алешкин, В.И. Гавриленко, С.В. Морозов, К.В. Маремьянин, Б.Н. Звонков, С.М. Некоркин Институт физики микроструктур Российской академии наук, 603950 Нижний Новгород, Россия Научно-исследовательский физико-технический институт Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 603950 Нижний Новгород, Россия (Получена 1 июня 2004 г. Принята к печати 14 июня 2004 г.) Проведено экспериментальное исследование одновременной генерации нескольких частотных полос стимулированного излучения в полупроводниковом лазере с тремя квантовыми ямами. Показано, что разные частоты могут генерироваться как в основных, так и в возбужденных поперечных модах волновода. Обнаружено, что возможна одновременная генерация стимулированного излучения в двух и трех частотных полосах.

Исследованы зависимости мощности генерации в различных полосах от тока. В полупроводниковом лазере, генерирующем две полосы излучения с энергетической разностью между пиками 50 мэВ (длина волны 25 мкм), с помощью широкополосного примесного фотоприемника Si : B зарегистрировано излучение в среднем инфракрасном диапазоне, которое предположительно связано с генерацией разностной гармоники.

1. Введение методом газофазной эпитаксии с применением металлогранических соединений при атмосферном давлении.

Интерес к полупроводниковым лазерным источникам В структурах для лазеров с двухчастотной генерацией среднего и дальнего инфракрасного (ИК) диапазонов доля индия варьировалась в двух крайних ямах от 0.15 обусловлен широкими потенциальными овозможностядо 0.25, а в средней яме от 0.3 до 0.35. Ширина активной ми их применения для связи, газового анализа, спекобласти и длина резонатора были равны соответствентроскопии. Созданные каскадные лазеры среднего ИК но 100 и 500-1000 мкм при геометрических размерах диапазона успешно работают при комнатной температулазерного чипа L = 1000, b = 400 и d = 170 мкм, где ре [1], в то время как в области дальнего ИК диапазона L — длина чипа (длина резонатора), b — ширина чипа получить генерацию на каскадных структурах удается и d — полная толщина структуры. Модовый состав только при криогенных температурах [2]. Полупроводлазерного излучения в ближнем ИК диапазоне и зависиниковые лазеры на германии p-типа проводимости [3,4], мость интенсивности линий генерации от тока накачки генерирующие излучение дальнего ИК диапазона, также исследовались на спектральном комплексе КСВУ-23 при работают только при низких температурах. Альтертемпературах T = 300, 77 и 4.2 K при постоянной и нативный подход к получению среднего и дальнего импульсной накачке. Излучение в среднем ИК диапазоне ИК излучения, который может обеспечить генерацию детектировалось широкополосным примесным фотоприпри комнатной температуре, состоит в использовании емником Si : B в режиме импульсной накачки лазерных нелинейных эффектов. Для генерации разностной моды диодов с длительностью импульса 1-15 мкс и частотой в лазере, генерирующем две коротковолновые моды, повторения 100 Гц при температуре T = 4.2K.

предлагалось использовать электронную нелинейность в квантовой яме (КЯ), содержащей три уровня [5], или нелинейные свойства кристаллической решетки матери3. Экспериментальные результаты ала активной области [6].

и обсуждение В данной работе исследуется генерация излучения среднего ИК диапазона, основанная на разностной частоте (за счет решеточной нелинейности GaAs) в двухча- На рис. 1 приведены спектральные зависимости интенстотных лазерах, работающих при комнатной температу- сивности двухчастотной генерации (ILG) в шкале энерре, на основе гетероструктур InGaAs/GaAs с квантовыми гий фотонов h при разных величинах тока накачки I.

ямами InGaAs. Наблюдалось пороговое включение лазерной генерации длинноволновой линии при протекании постоянного тока, превышающего 220 мА. При дальнейшем увеличе2. Эксперимент нии тока также начинала проявляться коротковолновая линия, амплитуда которой линейно нарастала с увелиЛазерные структуры, содержащие в активной облачением тока, и при токе I = 414 мА интенсивность кости три квантовые ямы Inx Ga1-xAs, были выращены ротковолновой линии становится равной интенсивности ¶ E-mail: more@ipm.sci-nnov-ru длинноволновой линии. На основании данных экспери154 В.Я. Алешкин, В.И. Гавриленко, С.В. Морозов, К.В. Маремьянин, Б.Н. Звонков, С.М. Некоркин Для анализа модового состава излучения были измерены диаграммы направленности. Наблюдались два типа диаграмм направленности в разных лaзeрных чипах, которые приведены на рис. 3. Отметим, что диаграммы направленности были одинаковыми для обеих полос излучения. Диаграмма направленности, изображаемая кривой 1, соответствует генерации основной TE-моды волновода (имеется в виду поперечная мода). Необычная диаграмма направленности, изображаемая кривой 2, может соответствовать одновременной генерации нескольких поперечных мод.

На рис. 4 приведены спектры двух видов двухчастотной генерации лазеров, измеренные при комнатной температуре в импульсном режиме токовой накачки.

Из рисунка видно, что энергии фотонов в разных Рис. 1. Спектры двухчастотной генерации лазерного диода полосах различаются примерно на 50 мэВ (кривая 1) при токах накачки I, мА: 1 — 150, 2 — 251, 3 — 414, 4 — 483.

и 15 мэВ (кривая 2), что соответствует среднему и T = 77 K.

дальнему ИК диапазонам. Отметим, что двухполосная генерация наблюдалась при комнатной температуре и в непрерывном режиме.

Рис. 3. Наблюдаемые диаграммы направленности излучения Рис. 2. Зависимость интенсивности пиков генерации от вев плоскости, перпендикулярной слою квантовой ямы: 1 —геличины тока накачки: Imax — коротковолновый пик, Imax — 1 нерация основной моды волновода, 2 — генерация нескольких длинноволновый пик. T = 77 K.

поперечных мод волновода.

мента, приведенных на рис. 1, были построены зависимости интенсивности пиков Imax, Imax полос с длинами волн 1 1 и 2 от величины тока накачки для двухчастотной генерации (рис. 2). Из рисунка хорошо видна немонотонная зависимость интенсивности длинноволнового пика в интервале токов 300-600 мА. Вероятно, падение интенсивности с ростом тока обусловлено тем, что фотоны, излучаемые коротковолновой ямой, стимулируют рекомбинацию тех электронов в длинноволновой КЯ, энергия которых соответствует энергии переходов из основного состояния электронов в коротковолновой КЯ.

Тем самым уменьшается населенность основного соРис. 4. Спектры двухчастотной (1, 2) и трехчастотной (3) стояния электронов в длинноволновой КЯ и возможно генерации лазеров, содержащих в активной области три квануменьшение интенсивности излучения длинноволнового товые ямы. 4 — спектр вторых гармоник для трехчастотной пика с ростом тока. генерации. T = 300 K.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Наблюдение излучения среднего инфракрасного диапазона в полупроводниковых лазерах,... с инерционностью детектора Si : B. Характерное время установления сигнала на детекторе, определенное из RC-связи измерительной схемы, составляет 10 мкс и сравнимо с длительностью импульса.

4. Заключение В работе продемонстрирована одновременная генерация стимулированного излучения в двух и трех частотных полосах в полупроводниковых лазерах с квантовыми ямами; показано, что могут возникать как основные, так и возбужденные поперечные TE-моды волновода;

экспериментально исследована зависимость мощности генерации в различных частотных полосах от величины тока накачки; в лазерных структурах с различными Рис. 5. Осциллограммы сигналов в среднем ИК диапазоне по составу тремя квантовыми ямами в активной обв случае двухчастотной (4, 5 соответствуют спектру 2 на ласти обнаружены два типа двухчастотной генерации верхней вставке) и одночастотной (3 соответствует спектру с разностью между полосами излучения 15 и 50 мэВ, на верхней вставке) лазерной генерации при импульсной что соответствует дальнему и среднему ИК диапазону.

накачке. Длительность импульса, мкс: 3 —7, 4 —9, 5 — 15.

В случае двухчастотной генерации с разностью между Верхняя вставка — основные моды одночастотной (1) и двухполосами излучения 50 мэВ обнаружен сигнал в среднем частотной (2) лазерной генерации. Нижняя вставка — схема ИК диапазоне, который может быть связан с генерацией эксперимента; ближнее ИК излучение исключалось фильтами разностной гармоники.

Ge и InSb.

Работа проводилась при финансовой поддержке совместной программы Американского фонда гражданКак уже было отмечено, для экспериментов выра- ских исследований и развития (CRDF) и Министерщивались структуры с тремя квантовыми ямами, две ства образования РФ „Фундаментальное исследоваиз которых с меньшим содержанием In, расположен- ние и высшее образование“ (BRHE) (REC-NN-001), ные симметрично относительно центральной КЯ, были грантов РФФИ-БРФФИ (№ 02-02-81036), РФФИ одинаковыми. Это делалось для того, чтобы уменьшить (№ 04-02-17432), МНТЦ (№ 2293), NATO (SfP-пороговый ток коротковолновой генерации. Однако на Semiconductors), РАН и Министерства промышленнонекоторых лазерных структурах с тремя квантовыми сти, науки и технологий РФ.

ямами в активной области наблюдалась трехчастотная генерация в среднем ИК диапазоне, очевидно, связанная с различным составом всех трех ям (рис. 4, кривая 3).

Список литературы На рис. 4 также приведен спектр генерации вторых гармоник для трехчастотной генерации (кривая 4), что [1] F. Capasso, A. Tredicucci, C. Gmachl et al. IEEE J. Select.

Topics. Quant. Electron., 5 (3), 792 (1999).

лишний раз доказывает ярко выраженную нелинейность [2] M. Rochat, L. Ajili, H. Willenberg, J. Faist. Appl. Phys. Lett., в GaAs.

81 (8), 1381 (2002).

На рис. 5 представлены осциллограммы сигналов в [3] A. Andronov, E. Gornik. Optical and Quant. Electron., 23, случае двухчастотной (кривые 4, 5) и одночастотной 2 (1991).

(кривая 3) лазерной генерации, зарегистрированные ши[4] И.В. Алтухов, М.С. Каган, К.А. Королев, В.П. Синис, рокополосным Si : B-приемником (полоса чувствительФ.А. Смирнов. ЖЭТФ, 74, 404 (1992).

ности от 10 до 30 мкм). Ближнее ИК излучение [5] A.A. Belyanin, F. Capasso, V.V. Kocharovsky et. al. Phys. Rev.

основных мод лазерной генерации (верхняя вставка) A, 63, 53 803 (2001).

отсекалось фильтами Ge и InSb (см. нижнюю вставку).

[6] В.Я. Алешкин, А.А. Афоненко, Н.Б. Звонков. ФТП, 35, Измерения проводились при испульсной токовой накач1256 (2001).

ке (I 3A) с длительностью импульсов = 7-15 мкм при T = 4.2 K. Из рисунка видно, что в случае одРедактор Л.В. Шаронова ночастотной генерации (кривая 3) какой-либо сигнал отсутствует, а хорошо заметны лишь наводки на фронтах импульса; в случае двухчастотной генерации (кривые 4, 5) появляется сигнал, амплитуда которого растет при увеличении длительности импульса. Зависимость амплитуды сигнала от длительности импульса связана Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 156 В.Я. Алешкин, В.И. Гавриленко, С.В. Морозов, К.В. Маремьянин, Б.Н. Звонков, С.М. Некоркин Experimental observation of emission in the mid IR in semiconductor lasers generating two frequency lines in the near IR range V.Ya. Aleshkin, V.I. Gavrilenko, S.V. Morozov, K.V. Maremjanin, B.N. Zvonkov, S.M. Nekorkin Institute for Physics of Microstructires, Russian Academy of Sciences, 603950 Nizhniy Novgorod, Russia Research Physical Technical Institute of N.I. Lobachevsky Nizhniy Novgorod State University, 603950 Nizhniy Novgorod, Russia

Abstract

Simultaneous generation of several frequency lines of the stimulated emission in a semiconductor laser with three quantum InGaP/InGaAs/GaAs wells has been observed experimentally.

It is shown that different frequencies can be generated in both fundamental and excited transverse modes of the waveguide. It is found, that the simultaneous generation of stimulated emission in two and three frequency lines is possible. Dependences of the generation power in different lines on current are investigated.

In two-frequency semiconductor lasers with a spectral difference between emission lines of 50 meV, a mid IR radiation has been detected, the radiation being attributed to the parametric generation of the difference harmonic.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып.




© 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.