WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1 Конкуренция мод, неустойчивость и генерация вторых гармоник в двухчастотных лазерах InGaAs/GaAs/InGaP © В.Я. Алешкин¶, Б.Н. Звонков, С.М. Некоркин, Вл.В. Кочаровский+ Институт физики микроструктур Российской академии наук, 603950 Нижний Новгород, Россия Научно-исследовательский физико-технический институт Нижегородского государственного университета, 603950 Нижний Новгород, Россия + Институт прикладной физики Российской академии наук, 603000 Нижний Новгород, Россия (Получена 1 июня 2004 г. Принята к печати 16 июня 2004 г.) Сконструированы гетеролазеры InGaAs/GaAs/InGaP с асимметрично расположенными квантовыми ямами двух типов и экспериментально исследованы их двухчастотная генерация и генерация вторых гармоник, впервые реализованные в широком диапазоне токов от 0.2 A при постоянной накачке до более чем 10 A при импульсной 200-наносекундной накачке. Обнаружены неизвестные ранее особенности подобной генерации, и дана их физическая интерпретация, основанная на анализе конкуренции и сосуществования различных коротковолновых и длинноволновых мод лазера включая моды „шепчущей галереи“.

В работе проведено экспериментальное исследование но ожидать, что при равных условиях токовой накачки особенностей стимулированной двухчастотной генера- порог генерации на двух коротковолновых ямах будет ции на длинах волн около 1 мкм и генерации вторых ниже, чем на одной длинноволновой яме, поскольку, гармоник в инжекционных лазерах на гетероструктуре хотя она и является дополнительным поглощающим InGaAs/GaAs/InGaP с квантовыми ямами шириной 9 нм элементом для коротковолновой генерации, ее связь с двух типов, отличающимися по концентрации индия модами TE0 и TE2 слабее, чем у расположенных по примерно на 10%. Для лазеров с размером активной центру коротковолновых ям.

области 0.1 0.25 мм2 двухчастотный режим генерации Спектральные характеристики лазерного излучения, (с разницей частот в 2.5%) наблюдался в широком измеренные с помощью решеточного монохроматора диапазоне токов — от 0.2 А при постоянной накачке до МДР-24 в области комнатных температур в пределах более чем 10 А при импульсной накачке с длительно- 4-33C (рис. 2) подтвердили ожидания. По мере увестью импульса 200 нс (при комнатных температурах в личения тока накачки сначала дейтвительно возникала стимулированная генерация излучения более высокой пределах 4-33C).

частоты (при токе 0.15-0.2А), а затем начиналась одДля сравнения отметим, что в ранних эксперименновременная генерация обеих частот на модах TE-типа.

тах [1–3] двухчастотная генерация в гетеролазерах доПоследняя возникала при токе, который превышал постигалась только в узком диапазоне токов накачки роговый ток лазерной генерации на высокой частоте порядка нескольких процентов от тока на пороге генерав 1.3-3 раза (в зависимости от конкретного образца и ции. Принципиальным в использованной нами конструктемпературы) — см. пример на рис. 3.

ции является асимметричное расположение квантовых В небольшом интервале токов, соответствующих наям: две ямы, разделенные барьером i-GaAs шириной чалу генерации двух частот, имела место неустойчи24 нм и генерирующие наиболее коротковолновое извость, благодаря которой спектральная мощность гелучение, располагались почти в центре волноведущего нерации и диаграмма направленности изменялись во слоя, а одна квантовая яма, генерирующая более длинвремени. При дальнейшем увеличении тока наблюдалась новолновое излучение, была смещена от центра волноустойчивая генерация на обеих частотах, вплоть до ведущего слоя примерно на 1/7 его толщины (рис. 1).

токов, разрушающих лазер.

Лазерный волновод был вполне стандарным и состоял Измеренные ватт-амперные характеристики для сумиз центрального слоя i-GaAs толщиной 0.84 мкм и марной мощности генерации качественно отличаются от двух обкладок из n- и p-InGaP толщиной 0.6 мкм с линейных характеристик, типичных для одночастотной легированием на уровне 5 · 1017 см-3. Разность энергий генерации в обычных гетеролазерах. После начала двухквантов в линиях генерации составляла 30 мэВ и частотной генерации наблюдаемая суммарная мощность зивисела от температуры и уровня накачки. О различных сначала резко падала примерно вдвое (рис. 3), а затем схемах двухчастотных лазеров см. [4–6] и указанную там почти не изменялась с увеличением тока (большие литературу.

безызлучательные потери), хотя при этом относительная Поскольку волноводная дисперсия и дисперсия погломощностью генерации двух частот значительно менящения гетероструктуры вряд ли сильно дискриминируют лась. Критический ток, отвечающий указанному скачку, TE-моды на частотах, отличающихся на 2.5%, естественсущественно понижался с уменьшением температуры ¶ E-mail: Aleshkin@ipm.sci-nnov.ru лазера.

172 В.Я. Алешкин, Б.Н. Звонков, С.М. Некоркин, Вл.В. Кочаровский Были проведены также измерения спектра и диаграммы направленности генерации на удвоенных частотах, которые возникают благодаря решеточной нелинейности 2-го порядка GaAs в узком слое толщиной 0.1мкм вблизи выходных торцов лазера. Оказалось, что эти вторые гармоники излучения обладают TM-поляризацией и имеют близкие параметры, причем с увеличением тока накачки мощность генерации удвоенной частоты Рис. 1. Профили поперечных TE0,1,2-мод (E) и энергетическая диаграмма (Eg) вдоль направления роста z для двухцветной гетероструктуры InGaAs/GaAs/InGaP.

Рис. 2. Типичные спектры непрерывной двухцветной генерации, сопровождаемой вторыми гармониками, в образце длиной 0.25 мм при комнатной температуре. Указаны значения Диаграмма направленности коротковолнового излуче- тока накачки. Узкая угловая апертура приемника излучения приводит к кажущемуся занижению уровня генерации на ния имеет обычный вид, а длинноволнового излучения большей длине волны 1.03 мкм, для которой диаграмма направоказывается очень размытой в плоскости p-n-переленности лазера шире (см. рис. 4).

хода (рис. 4 и 5). Последнее можно объяснить, если предположить, что длинноволновое поле представлено модами типа „шепчущей галереи“ (связанными с полным внутренним отражением излучения от границ активной области), а коротковолновое — нет, хотя и неоднородно в плоскости p-n-перехода. В частности, слабая зависимость мощности выходного излучения от тока накачки после перехода в двухчастотный режим генерации может объясняться существенным поглощением коротковолнового излучения в длинноволновой яме, излучение которой, в свою очередь, в значительной мере поглощается (как моды „шепчущей галереи“) в боковых частях гетероструктуры, куда не проникает ток накачки. При этом боковые отражения длинноволнового поля, необходимые для формирования мод „шепчущей галереи“, скорее всего происходят не на боковых гранях Рис. 3. Ватт-амперные характеристики диодного лазера длигетеролазера, а в области краев полоски верхнего металной 0.25 мм с непрерывной накачкой при температурах 33 (1) лического контакта из-за скачка концентрации носителей и 10C (2). Гладкие участки кривых с линейным ростом там (плазменный и тепловой эффекты) и благодаря часоответствуют одночастотной генерации. Выше порогов, где стичному протравливанию верхнего волноводного слоя полная излучаемая мощность резко падает, начинается двухв этих местах в процессе изготовления лазера (скачок частотная генерация, мощность которой почти не зависит от диэлектрических свойств волновода).

тока накачки.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Конкуренция мод, неустойчивость и генерация вторых гармоник в двухчастотных лазерах... Генерация суммарной частоты не наблюдалась, что, по-видимому, означает пространственную разделенность областей генерации длинно- и коротковолновых мод (их поля слабо перекрываются на выходной грани лазера).

Интерпретация наблюдаемых режимов работы исследованных лазеров в существенной мере основана на предположении о том, что длинноволновое излучение представляет собой моды типа „шепчущей галереи“, а коротковолновое — обычные моды широкого (100 мкм) волновода. Последние имеют сильно неоднородную структуру в плоскости квантовых ям не столько благодаря большой ширине волновода, сколько вследствие филаментации тока накачки в достаточно узких каналах шириной 10 мкм. Сказанное подтверждается экспериментальными исследованиями поля излучения на выходном торце лазера [7], проведенными с использованием Рис. 4. Видимые с торца диаграммы направленности излусканирующей ближнепольной микроскопии, обеспечивачения в плоскости, перпендикулярной (1) и параллельной (2) ющей спектральное разрешение коротко- и длинноволквантовым ямам, для лазера длиной 0.25 мкм в условиях непреновых мод. Вместе с обычной оптической микроскопией рывной накачки током 1.01 A при комнатной температуре.

эти исследования показывают, что коротковолновое из = 1030 нм — наблюдается 20-градусный сдвиг и асимметрия лучение образует на торце лазера несколько ярких пятен длинноволновой кривой 1, которые, по-видимому, связаны с и их поперечная структура имеет вид TE0-моды (возможналичием в излучении TE1-моды, искажающей TE0-моду.

но, с небольшой примесью TE2-моды). Длинноволновое излучение также образует несколько пятен ( 10 мкм) на выходном торце лазера, но они, вообще говоря, смещены относительно пятен коротковолнового излучения и, вероятно, имеют мелкомасштабную структуру вплоть до размера 1 мкм. О последнем свидетельствуют широкая диаграмма направленности на основной частоте и пьедестал у пика на второй гармонике (рис. 4, = и 515 нм, кривые 2), которые можно отнести на счет мод „шепчущей галереи“ и многомодовой структуры длинноволнового излучения в плоскости квантовых ям.

Интересно, что относительный вес поперечных TE0-, TE1- и TE2-мод в длинноволновом излучении зависит от тока накачки и от местоположения на выходном торце лазера, причем высшие моды могут быть сравнимы по амплитуде с основной модой [7].

В целом эволюция генерации рассмотренного лазера при увеличении тока накачки представляется следующей. Превышение порога коротковолновой генерации Рис. 5. Видимая с боковой грани диаграмма направленности осложняется протеканием тока по отдельным канаизлучения в плоскости, перпендикулярной квантовым ямам, для лазера длиной 0.25 мкм в условиях непрерывной накачки лам, т. е. его филаментацией, ведущей к формированию током 1.34 A при комнатной температуре. Большая ширина нескольких трасс индуцированного усиления излучения углового спектра говорит о том, что высшие TE-моды в (на двух коротковолновых ямах), почти напрямую сонепрокачанной током части лазерной гетероструктуры поглоединяющих выходные торцы лазера. Генерация коротщаются слабее, чем основная TE0-мода, которая может даже коволновых мод „шепчущей галереи“, в которых лучи трансформироваться в высшие моды из-за несовершенства в существенной мере неортогональны торцам лазера, волновода.

исключена из-за поглощения излучения между каналами тока. Что касается длинноволнового излучения, то порог его генерации для указанных трасс не достигается при для длинноволнового излучения растет, а для коротко- существенных превышениях тока накачки над порогом волнового падает (рис. 2). Их отношение и отношение коротковолновой генерации, поскольку длинноволновая порогов лазерной генерации сильно зависят не только от яма всего одна и к тому же она смещена относительно длины лазера, но и от температуры и положения полоска центра волновода. Однако, как только мощность котоковой накачки относительно границ гетероструктуры. ротковолнового излучения становится достаточной для Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 174 В.Я. Алешкин, Б.Н. Звонков, С.М. Некоркин, Вл.В. Кочаровский того, чтобы в значительной мере просветлить длин- Mode interplay, instability, новолновую яму и повысить в ней уровень инверсии and second-harmonic generation (дополнительная оптическая накачка, в том числе между in dual-frequency InGaAs/GaAs/InGaP каналами тока), возникает генерация длинноволновых lasers мод „шепчущей галереи“. Их добротность растет с ростом тока, в частности, благодаря усилению отраже- V.Ya. Aleshkin, B.N. Zvonkov, S.M. Nekorkin, ний из-за плазменно-тепловых эффектов рефракции на Vl.V. Kocharovsky+ границах активной области (и краях токовых каналов) и Institute for Physics of Microstructures, оказывается выше добротности обычных мод, проходяRussian Academy of Sciences, щих преимущественно через каналы тока. Эксперимент 603950 Nizhny Novgorod, Russia показывает, что в подобных лазерах с длиной активной Research Physical-Technical Institute области 0.5-1 мм длинноволновая генерация на модах of the Nizhny Novgorod State University, „шепчущей галереи“ не возникает — и это обусловлено 603950 Nizhny Novgorod, Russia невозможностью полного внутреннего отражения от + Institute of Applied Physics, торцов гетеролазера при фиксированной ширине активRussian Academy of Sciences, ной области 0.1 мм. Впрочем, для полного обоснования 603950 Nizhny Novgorod, Russia и детализации предложенного сценария необходимы дополнительные экспериментальные и теоретические

Abstract

InGaAs/GaAs/InGaP heterolasers with two kinds of исследования.

quantum wells grown asymmetrically within a waveguide are fabРабота частично поддержана грантами РФФИ ricated, and their dual-wavelength operation and second-harmonic № 02-02-17536, 04-02-17432, 02-02-81036, generation are observed under pumping ranging from 0.2 A НШ-1744.2003.2 и ISTC 2293.

CW to more than 10 A 200-ns-pulsed injection current in 0.1 0.25-mm2-size lasers at room temperatures. New features of the dual-wavelength generation are found and their interpretation Список литературы is given, based on the analysis of interplay and coexistence of various short- and long-wavelenght laser modes, including [1] Y. Tokuda, N. Tsukada, K. Fujiwara, K. Hamanaka, T. Nakayawhispering-gallery ones.

ma. Appl. Phys. Lett., 49, 1629 (1986).

[2] S. Ikeda, A. Shimizu. Appl. Phys. Lett., 59, 504 (1991).

[3] T.R. Chen, Y. Zhuang, Y.J. Xu, B. Zhao, A. Yariv, J. Ungar, S. Oh. Appl. Phys. Lett., 60, 2954 (1992).

[4] В.Я. Алешкин, В.И. Гавриленко, С.В. Морозов, А.А. Афоненко, Б.Н. Звонков, Ю.В. Кутергина, С.М. Некоркин.

В сб.: Нанофотоника, Материалы совещания, под ред.

З.Ф. Красильника (Нижний Новгород, ИФМ РАН, 2003) т. 2, с. 315.

[5] Н.В. Байдусь, А.А. Бирюков, Б.Н. Звонков, С.М. Некоркин, В.Я. Алешкин. ФТП, 38, 366 (2004).

[6] А.А. Белянин, Д. Деппе, В.В. Кочаровский, Вл.В. Кочаровский, Д.С. Пестов, М.О. Скалли. УФН, 173, 1015 (2003).

[7] D.O. Filatov, G.A. Maximov, V.P. Mishkin, V.V. Levichev, S.M. Nekorkin, S.V. Morozov. Scanning Probe Microscopy, Proceedings of International Workshop, ed. by S.V. Gaponov (Nizhny Novgorod, IPM RAS, 2004).




© 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.