Полупроводниковые InGaAsP/InP (? =1.5-1.6 мкм) лазеры с оптическими периодическими неоднородностями

Содержание

Актуальность проблемы. Одним из наиболее ярких достижении физики полупроводников является создание полупроводниковых лазеров. Ключевой вклад в развитие этой области полупроводников был сделан Ж. И. Алферовым с сотрудниками. В 1963 году была сформулирована идея гетеролазера[1*], затем был создан первый гетеролазер и достигнут непрерывный режим генерации при комнатной температуре[2*, 3*]. В этих лазерах обратная связь осуществлялась отражением генерируемого света от зеркал, выставленных перпендикулярно плоскости волноводного слоя и являющихся зеркалами резонатора Фабри-Перо. Вывод генерируемого излучения осуществлялся также через эти зеркала. Следствием этого являются следующие основные недостатки полупроводниковых лазеров с резонатором Фабри-Перо: большая расходимость в плоскости, перпендикулярной активному слою- ограничение предельной мощности- многомодовый режим генерации.

В 1971 году в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе был предложен новый тип полупроводникового квантового генератора-инжекционный гетеролазер с дифракционной решеткой на поверхности волноводного слоя [4*]. Детальный теоретический анализ работы полупроводникового лазера с дифракционной решеткой на поверхности волноводного слоя был впервые выполнен в работе [5*], где были сформулированы основные физические принципы, лежащие в основе его работы и была построена модель, позволяющая оптимизировать параметры структуры такого лазера. В таком лазере в отличие от традиционного с торцевыми зеркалами достигается узкая диаграмма направленности генерируемого изучения и высокая его когерентность, обусловленная распределенной обратной связью (РОС) за счет интерференции встречных волн в волноводном слое с периодическими оптическими неоднородностями. Первые эксперименты по исследованию полупроводниковых лазеров с дифракционным выводом излучения проводились на гетроструктурах ОаАБ-ЛЮэАб [6*, 7*]. Однако к началу наших работ генерация лазерного излучения за счет? определенной обратной связи во втором порядке не была реализована. Между тем, ало ясно, что периодические оптические неоднородности в гетероструктурах в очетании с оптической накачкой открывают, но те сти изучения как физических параметров этих структур т- О. и в них.

Развитие систем волоконно-опти истем связи в 70-х годах и особенно получение группой японских исследова., 1979 году волоконных световодов с минимальными оптическими потерями в чьном диапазоне 1.5−1.6 мкм [X*]. а также демонстрация возможности усилеии ← в этой спектральной области на основе кварцевого волокна, легированного ионам" эрбия Ег,< [9*], потребовало создания одночастотных инжекционных лазеров для этого спектрального диапазона. Такие лазеры могли быть созданы на основе^ОаАэР /1пР гетероструктур со встроенными оптическими периодическими неоднородностями (со встроенной ДР). Следует отметить, что большая деградационная стойкость материала ЬЮаАяР из-за меньшей (на три порядка) скорости поверхностной рекомбинации по сравнению с АЮаАэ снимает ограничения, накладываемые на расположение дифракционной решетки относительно активного слоя, м позволяет совместить ДР с волноводным усиливающим слоем, а также решить проблему ресурса работы в непрерывном режиме. Тем не менее, к началу наших работ данное направление находилось в начальной стадии и исследования в области получения 1гЮаА5Р/1пР (1.5−1.6 мкм) лазеров с периодическими неоднородностями и их исследования не проводились. Наоборот, усилия зарубежных и отечественных исследователей в тот период был нацелены на создание коммерческих 1пСаАзРЛпР РОС-лазеров для спектрального диапазона 1.3 мкм.

Таким образом, проблема получения и исследования 1пОаА5РЛпР-лазеров с оптическими неоднородностями потребовала проведения комплекса физических исследований. Решению этой проблемы и сопряженных с ней задач и посвящена представленная работа.

Цели и задачи работы.

Основная цель работы заключалась в исследовании физических механизмов генерации вынужденного излучения в полупроводниковых лазерах с периодическими оптическими неоднородностями, работающих в спектральном диапазоне 1.5−1.6 мкм, определении основных факторов, влияющих на параметры таких лазеров, оптимизации этих параметров и создании новых конструкций таких лазеров.

В процессе выполнения работы решались следующие задачи: разработка экспрессных методов контроля параметров полупроводниковых гетероструктур 1пСаА5Р/1пР с помощью оптической накачки, необходимых для изготовления инжекционных лазеров с оптическими периодическими неоднородностям и, а изучение процессов генерации вынужденного излучения в гетеролазерных структурах ЬЮаАэРЛпР (1.55 мкм) с периодическими оптическими неоднородностями.

исследование спектральных, поляризационных и динамических характеристик инжекцнонных ЬЮаАхРЛпР-лазеров с РОС.

определение основных факторов, влияющих на быстродействие инжекцнонных лазеров с РОС, практическая реализация и исследование особенностей режимов пассивной модуляции добротности и пассивной синхронизации продольных мод в ¡-пОэАбРАпР — лазерах с резонатором Фабри-Перо и с РОС. работающих в спектральном диапазоне 1.5−1.6 мкм, создание и исследование линеек РОС-лазеров для мультиплексных систем связи.

Научная новизна и практическая ценность. В работе проведены комплексные теоретические и экспериментальные исследования процессов генерации в волноводных ГпОаАвРЛпР полупроводниковых лазерах с периодическими оптическими неодно-родностями.

Изучены особенности генерации в волноводных многомодовых лазерах с РОС во втором порядке при оптическом возбуждении, что позволило интерпретировать результаты, полученные позднее при инжекционной и электронной накачке. Предложен новый метод исследования спектральной зависимости интенсивности и поляризации вынужденного излучения гетеролазеров с РОС на различных участках полосы усиления — РОС-спектроскопия гетеролазерных структур. Методом РОС-спектроскопии изучена спектральная зависимость поляризации вынужденного излучения в гетероструктурах 1пОаА5Р/1пР (Х=!.5 мкм) с внутренней деформацией активного слоя, а также при сочетании этой деформации с размерным квантованием в сверхтонком активном слое. Изучено влияние изменения энергетического спектра носителей заряда за счет внутренних деформаций активного слоя на спектральную зависимость коэффициентов усиления ТМ- и ТЕ-поляризованного излучения в гетеролазерных структурах 1гЮаА5Р/1пР (>.= 1.55 мкм). Экспериментально изучено влияние случайных изменений толщины квантоворазмерного слоя (КРАС) на излучательные характеристики гетеролазерных структур.

Проведено комплексное теоретическое и экспериментальное исследование инжекцнонных 1гЮаА5Р/1пР (>.= 1.5−1.6 мкм)-гетеролазеров с РОС, в том числе имеющих расстройку длины волны генерации относительно максимума усиления. Проанализировано влияние расстройки на ключевые характеристики лазеров с РОС. Разработаны технологические рекомендации для получения высокой эффективности обратной связи в лазерах с РОС. изготовленных с помощью жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) в системе ¡-пОаАвРЛпР. Определены условия получения максимальных значений. Изучено влияние поглощающей области, расположенной вблизи торца резонатора, на характеристики лазеров РОС. Показано, что в РОС-лазере с поглощающей областью возможно получение экстремальных значений коротковолновой расстройки. Экспериментально исследована ширина и форма линии генерации. Показано, что устойчивость одночастотного режима повышается в РОС-лазерах с коротковолновой расстройкой.

В системе 1пОаА5Р в широком диапазоне составов измерены значения показателя преломления на длине волны генерации при комнатной температуре.

Предложена конструкция РОС-лазера с составным активным слоем. Показано, что в таком лазере эффективная ширина полосы усиления может быть увеличена на величину 5=кТ.

Показано, что использование дифракционной решетки со слабо меняющимся шагом для организации распределенной обратной связи в полупроводниковом лазере позволяет исключить появление брегговской щели в спектре генерации и получить одночастотную генерацию на брегговской длине волны.

Произведена оценка влияния имплантации тяжелых высокоэнергетичных ионов на времена жизни неосновных носителей заряда в материале 1пСаА5Р с составом, соответствующим ширине запрещенной зоны 0.785 эВ. Экспериментально получен и исследован режим пассивной модуляции добротности в лазерах спектрального диапазона 1.5−1.6 мкм с насыщающимся поглотителем, созданным ионной имплантацией. Разработан метод определения длительности пикосекундных импульсов оптического излучения в спектральном диапазоне 1.5−1.6 мкм, использующий внутреннюю генерацию второй гармоники в полупроводниковом лазере. Получена самосинхронизация продольных мод в ГпСаАяРЛпР (Л=1.55 мкм)-лазере с объемным активным слоем (толщиной 1 мкм) и длиной резонатора 400 мкм. Насыщающийся поглотитель создан имплантацией ионов в торцы лазера. Сформирована последовательность субпикосекундных солитонных импульсов, следующих с частотой повторения 100 Гц.

На основании этих исследований создан ряд новых конструкций полупроводниковых лазеров с существенно улучшенными параметрами, а также разработаны и исследованы: перестраиваемый волноводный ЬЮаАвРЛпР-гетеролазер с РОС и оптической накачкой, новый тип оптически накачиваемого 1пСаА5РЛпР-лазера с РОС в первом порядке, обусловленной динамическими неоднородностями в волноводном слое, полученными путем интерференционной оптической накачки. 4-х длинноволновая линейка 1пСаАзР/1пР РОС-лазеров 1.5−1.6 мкм) для мультиплексных систем волоконно-оптической связи, что представляет значительный интерес для практических применений. Ряд результатов работы передан на предприятия электронной промышленности.

На защиту выносятся следующие положения:

Положение 1. (О распределенном выводе излучения) Использование распределенного вывода генерируемого излучения через ДР в гетеролазерах с РОС во втором порядке дает важную информацию о физических процессах, происходящих в РОС-лазерах. а именно: О механизме обратной связи. об особенностях температурной стабилизации линии генерации, о механизме спектральной и пространственной перестройки генерируемого излучения, а также позволяет решить задачу создания источника мощного узконаправленного излучения.

Положение 2. (о динамической ДР для РОС). Глубина модуляции концентрации связанных дырок, создаваемая в? пСаАэРЛпР-лазерах с легированным акцепторами (ЫлкЮ17^ |018 см--1) активным 1пОаА5Р (>.= 1.55 мкм) слоем при возбуждении импульсным светом с периодически изменяющейся интенсивностью (Л=0.23 мкм), достаточна для возникновения РОС вследствие периодической модуляции оптического усиления, обусловленного переходами зона проводимости-акцептор. Положение 3. (О деформации активного слоя в 1пОаА5Р/1пР РОС-лазерах). Деформацию активного слоя в системе 1пОаАзР/1пР (>.= 1.55 мкм) можно задавать подбором соответствующего состава компонентов четверного 1пСаА$Р соединения. Внутренняя деформация активного слоя в гетеролазерных 1пСаА5Р/1пР РОС-структурах позволяет обеспечить поляризационную стабильность как ТЕ-так и ТМ-моды (в зависимости от знака деформации). При этом одноосное растяжение создает дополнительное преимущество для генерации ТЕ-моды практически во всей полосе усиления. В случае одноосного сжатия одночастотную генерацию ТМ-моды можно получить на длинноволновом краю полосы усиления в спектральном диапазоне, превышающем величину деформационного расщепления.

Положение 4. (О РОС-спектроскопии). Существенная разница температурных зависимостей спектральных положений линии РОС-генерации и ширины запрещенной зоны материала активного слоя? сЛкотсЛЗТ^сШеЛЗТ! позволяет, изменяя температуру, сканировать полосу усиления относительно фиксированной (в первом приближении) линии РОС-генерации- изучать интенсивность, поляризацию и дугие параметры генерируемого излучения как функциию положения линии РОС-генерации в спектре усиления. РОС-спектроскопия вынужденного излучения гетероструктур с КРАС позволяет выявить наличие размерного квантования в случае существенной неоднородности толщины квантоворазмерного слоя.

Положение 5. (О коротковолновой расстройке линии РОС-генерации в спектре усиления). Быстродействие РОС-лазеров с сильной связью (kL"1) и ненулевыми знамениями коэффициентов отражения на зеркалах может быть существенно улучшено при реализации брегговской генерации с сильной коротковолновой расстройкой (более 30 нм), а радиочастотная ширина линии при этом значительно уменьшена. Положение 6. (О подавлении мод Фабри-Перо). В РОС-лазерах с сильной обратной связью (k-L"1) возможно подавление генерации мод Фабри-Перо путем создания вблизи одного из торцов резонатора поглощающей области длиной Ьпогл^О-Ы-. Положение 7. (О составном активном слое в РОС-лазерй). Использование в РОС-лазере составного активного слоя позволяет увеличить эффективную ширину полосы усиления на величину 5=кТ без существенного ухудшения пороговых характеристик, а также добиться значительного увеличения температурного интервала существования одночастотной брегговской генерации и интервала непрерывной перестройки длины волны генерируемого излучения.

Положение 8. (О модуляции добротности в InGaAsP/InP (?.= 1.55 мкм) лазерах). Использование в полупроводниковом InGaAsP/lnP (Х=1.55 мкм) лазерах насыщающегося поглотителя, созданного глубокой имплантацией тяжелых ионов и обладающего малыми временами релаксации, позволяет достигать пикосекундных значений длительности генерируемых световых импульсов (t=20 пс), высоких частот повторения (до, а 10 ГГц), большого динамического диапазона существования пульсаций (до 4-!-5−1п"р<>г) и высокой импульсной мощности (до 300 мВт) генерируемых импульсов. Положение 9. (О синхронизации мод) Использование сверхбыстрого насыщающегося поглотителя, созданного имплантацией тяжелых ионов, позволяет реализовать в InGaAsP/inP (Х= 1.5−1.6 мкм) лазерах с объемным активным слоем режим пассивной синхронизации мод с частотой следования субпикосекундных импульсов более 100 ГГц. При этом в случае лазера Фабри-Перо поглощаемая область создается у торцов лазерного диода, а в случае РОС-лазера поглощающая область распределена по длине резонатора.

Доклады и публикации.

Материалы диссертационой работы докладывались и обсуждались на следующих Всесоюзных. Республиканских и Международных конференциях и совещаниях.

Всесоюзной научно-технической конференции по полупроводниковым лазерам (Саратов, июнь, 1975): Международной конференции по интегральной оптике (С'олт-Лэйк Сити. США, январь, 1976): VIII Всесоюзной конференции по когерентной и

Г V? Vi' v S4 Vf * Si

ГОСУДАРСТВЕННАЯ библиот6КА нелинейной оптике (Тбилиси, май. 1976) — II Всесоюзной конференции по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах (Ашхабад, октябрь. 1978): Всесоюзной конференции по полупроводниковым лазерам (Калуга, май, 1979) — V Республиканской конференции молодых ученых физиков (Баку, 1981) — 1П Всесоюзной конференции по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах (Одесса, 1982) — X Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Минск, 19X5): Международной конференции по полупроводниковым инжекционным гетеролазерам (Берлин, октябрь, 1987) — XII Всесоюзной конференции по микроэлектронике (Тбилиси, октябрь, 1987) — Республиканской научной конференции по физике полупроводниковых лазеров (Вильнюс, 1989) — Советско-американском семинаре «Электрооптика» (Москва, 1989) — Международном семинаре «Низкопороговые, высокомощные и быстродействующие полупроводниковые лазеры» (Пловдив, октябрь, 1989) — V Всесоюзной конференции по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах (Калуга, октябрь, 1990) — Ш Международной конференции «Фосфид индия и материалы на его основе» (Кардифф, Великобритания, апрель, 1991) — 14 Международной конференции по полупроводниковым лазерам (Гаваи, сентябрь. 1994) — 20 Европейской конференции по системам оптической связи (Фирензе, Франция, сентябрь, 1994) — Международной конференции по полупроводниковой интегральной оптоэлектронике (Кардифф, Великобритания, март, 1994) — 5-м Международном симпозиуме «Наноструктуры: физика и технология» (С-Петербург, 1997).

Результаты исследований опубликованы в 56 статьях.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Гетеролазерные структуры в системе? пСаА^РЛпР с РОС в условиях оптической накачки.

1.1. Предварительные замечания.

1.1.1. Основные идеи полупроводниковых лазеров с РОС были сформулированы в 1971 году в работе [4*], в которой предлагалось создавать дифракционную решетку на поверхности волноводного слоя. Детальный теоретический анализ с ДР на поверхности был проведен в работе [5*], где было показано, что при нанесении на поверхность оптического волновода ДР возникает связь между его собственными локализованными модами и модами излучения. При этом энергия локализованной моды может рассеиваться в моды излучения (дифракционный вывод). Особенно важен случай, когда энергия локализованной моды рассеивается в такую же моду, но распространяющуюся назад, навстречу первичной волне (распределенная обратная связь). Эта ситуация возникает при выполнении брегговского условия, то есть при равенстве периода ДР целому числу полуволн света в волноводе. В этом случае спектр связанных мод имеет щель, подобно тому как из-за брегговского отражения от кристаллической решетки возникает запрещенная зона в спектре электронов.

Впервые полупроводниковый лазер с ДР на поверхности был реализован в работе [6*]. В [7*] был получен узконаправленный (30') дифракционный вывод излучения генерируемого лазером на основе ваАБ с резонатором Фабри-Перо. Важным результатом явилась экспериментальная реализация первого лазера с РОС во втором порядке[1] в гетеролазерных структурах, когда был надежно обоснован вывод о получении генерации в полупроводниковом лазере за счет механизма РОС.

1Л.2. Особенности формирования РОС во втором порядке в гетеролазерных структурах, в условиях оптической накачки.

Эксперименты по исследованию особенностей генерации лазерного излучения в волноводных гетероструктурах с распределенной обратной связью проводились в условиях оптической накачки при азотных температурах[1−3,8.9]. Экспериментальные образцы изготавливались на основе многомодовых полупроводниковых волноводных гетеростуктур п-АиОаикАз — р-ОаА$(х=0.25). выращенных на подложке п*- ваАБ (п=2−3 !0~18 см"3). Характерная особенность исследуемых нами лазеров состояла в том. что генерация в них осуществлялась в условиях распределенной обратной связи во втором порядке взаимодействия для одной из поперечных мод волновода:

Кш~2р=-К.т, (1) где Кт=2яЛ-Мт- постоянная распространения волноводных мод, (3=2тх/Л. М,"-эффективный показатель преломления волноводной моды с поперечным индексом «т».

Для этого на поверхности волноводного слоя методом интерференционного фототравления наносилась ДР глубиной до ЮООА и шагом «Л». В первом порядке вблизи нормали к поверхности образца наблюдался дифракционный вывод излучения. Внутри полосы усиления имела место генерация нескольких спектральных линий. Идентификация наблюдаемых линий оказалась невозможной только по данным о спектре излучения. Нами была привлечена дополнительная информация, определяемая распределенным выводом излучения.

Исследования диаграмм направленности для каждой генерируемой спектральной линии и температурных зависимостей их спектрального положения позволили установить соответствие между линиями генерации лазера с РОС и структурой мод гофрированного волновода. Принципиально важным результатом работы [1] явилось то, что в спектре излучения РОС-лазера, помимо линий генерации, обусловленных брег-говским взаимодействием волноводных мод с одним и тем же индексом «ш» (линии 1 и 3, рис.1), и для которых вывод излучения осуществлялся строго перпендикулярно плоскости активного слоя, наблюдались линии, связанные с гибридным взаимодействием, в котором одновременно участвуют моды с разными поперечными индексами (линия 2, рис. I) вывод которых происходил под углом (5!Пф=(Мт+Ыр)/2):

К,"~2Р=-К,. (2)

Угловая расходимость луча, выводимого в направлении нормали к плоскости волновода составляла всего 6' и была близка к аппертурному пределу. В отличие от лазеров с резонатором Фабри-Перо, в которых линия находится на максимуме спектральной полосы усиления, в лазерах с РОС положение линий генерации «фиксировано» брегговским условием (I). Именно поэтому, как видно из рис. 1, спектральное положение линий генерации РОС-лазера слабо зависит от температуры образца: <ЩсГГ=0.65 А/К

Перестройка длины волны генерации достигалась также изменением длины области возбуждения при фиксированных температурах[2,3]. Генерация на моде более низкого порядка возникала при большей длине засветки, чем генерация на моде

Рис. 1. Температурные зависимости спектрального положения линий излучения лазера. 1,2,3- линии генерации Хо2. Я.", соответственно. 4 — положение максимума стимулированного излучения. высокого порядка, что связано с меньшей эффективностью взаимодействия с ДР. Важной особенностью работы лазера с выводом излучения через ДР является 100% поляризация выводимого излучения с вектором Е, параллельным штрихам решетки.

1.2. Гетеролазер с РОС во втором порядке на основе (пСаАвРЛнР в условиях оптической накачки.

Исследования по созданию РОС-лазеров на основе гетероструктур 1пСаА5РЛпР были начаты авторами в 19X0 году [7] практически одновременно с началом соответствующих работ за рубежом. ЬЮэАбРЛпР лазеры с гофрированным волноводом имеют ряд существенных особенностей, связанных как с распределенным выводом излучения, так и с температурной стабилизацией длины волны генерации. В исследовавшихся нами ранее гетеролазерах в системе А1А5-СаА$ вывод света через подложку был затруднен из-за близости значений ширины запрещенной зоны подложки п^-ОаАя и активного слоя р-ваАв. Ситуация существенно улучшается в случае активных слоев из 1пхОа|-хА5уР|.у, выращенных на подложках 1пР, прозрачных для генерируемого излучения. 1пхСа|-кА$уР|.у выращивались на подложках 1пР методом ЖФЭ, толщины слоев варьировались от 1.5 до 3 мкм[10]. На поверхности эпитаксиального слоя наносилась ДР с шагом «Л», обеспечивающая РОС во втором порядке. ДР изготавливались методом интерференционной засветки фоторезистора А2−1350 с последующим химическим травлением полупроводника через фоторезистивную маску в Н С1: Н N О з: С Н С О О Н: Н г О. Штрихи ДР выставлялись параллельно направлению <110>. Генерация возбуждалась излучением азотного лазера, сфокусированным кварцевой цилиндрической линзой. Получение брегговской генерации требует знания значений эффективных показателей преломления волноводных мод Ыт: геи=ЛК". Для определения показателей преломления изготавливались ДР для брегговской генерации на моде с шагом Л=Х.|ен./пг. обеспечивающим вывод под малым углом назад всех генерируемых в резонаторе Фабри-Перо поперечных мод:

Мш=^гсм./Л-5ГПф1″. (3)

После определения эффективных показателей преломления изготавливались ДР для брегговской генерации на моде с максимальным индексом «т». Это позволило путем смещения полосы усиления полупроводника в длинноволновую область при увеличении температуры исследовать спектры генерации, обуславливаемые и модами более низкого порядка. Число генерируемых мод превышало число поперечных мод исследуемого волновода, определенных ранее по выводу излучения, генерируемого в резонаторе Фабри-Перо. Это объясняется возникновением генерации на «гибридных модах» (2). Температурные коэффициенты <�ЗХ/<1Т зависели от номера моды и типа брегговских отражений и менялись от значения 0.5 А/К до 1.1 А/К.

1.3. Перестраиваемый одномодовый 1пСаА$Р/1пР (?"=1.55 мкм) РОС-лазер.

Известной особенностью полупроводников является большая спектральная ширина полосы усиления. Внутри этой полосы возможна плавная перестройка длины волны генерации при использовании различных перестраиваемых спектрально-селективных резонаторов. В настоящей работе задача получения перестраиваемого полупроводникового лазера решалась путем изготовления на поверхности волноводного слоя гетероструктуры ДР с переменным шагом, обеспечивающей РОС[14]. При изготовлении такой решетки образец засвечивался двухлучевой интерференционной картиной с использованием скрученных зеркал. Оптическая накачка этих лазеров, изготовленных на основе одномодовых гетероструктур 1пСаА5Р/1пР, осуществлялась излучением инжекционного лазера АЮаАзЛЗаАБ (к = 0.89 мкм). При перемещении области накачки вдоль образца была получена при комнатной температуре плавная перестройка длины волны генерации в области 1.55 мкм на 420 А в пределах полосы усиления активного слоя из 1пСаА$Р (рис.2). Нужно отметить, что спектральный диапазон плавной перестройки не зависел от источника накачки, но инжекционный лазер обеспечивал более узкую линию генерации (лазерный диод — ДХ=5А, УАО: КО лазер — ДХ=16А). что связано с возможностью получения более узкой полоски возбуждения при помощи гетеролазера без дополнительных фокусирующих элементов. Пороговая плотность мощности оптической накачки составляла при этом 30 кВт/см2 (т=100 не. {=2 кГц).

Излучение, генерируемое в активном 1пСаАзР слое^ыводилось через подложку 1пР без межзонного поглощения.

Рис. 2.3ависимость шага решетки и длины волны генерации перестраиваемого лазера с РОС от положения «страйпа» накачки по длине образца. На врезках показаны схематическое изображение условий накачки и спектры генерации при накачке инжекционным гетеролазером (Д^=5.8А) и лазером Ш: УАО (ДХ=15А).

1.4. О предельной выходной мощности полупроводникового лазера с дифракционным выводом излучения

В 1.3. было покачано, что распределенный вывод излучения открывает новые возможности конструирования полупроводниковых лазерных излучателей. Д1 нанесенная на поверхность волноводного слоя, расширяет функциональные ¦возможности полупроводникового лазер-! и позволяет не только улучшить спектральный состав и направленность генерируемого излучения, но и снимает ограничение на удельную мощность в волноводе, определяемую «катастрофической «деградацией зеркал резонатора Фабри-Перо (5"~5 106 Вт/смг).

Нами была проведена оценка максимально возможной излучательной мощности полупроводникового лазера с дифракционным выводом излучения [5,8,9]. Рассматривался гофрированный волновод, в котором усиление компенсирует потери на излучение. При этом выводимая мощность:

Р.=аЬ5оУ-(1, (4) где а- коэффициент потерь на излучение, Ь — длина ДР, — эффективная толщина волновода, с! — ширина резонатора.

Чтобы получить значение Р&bdquo-. необходимо знать величину, а и его поведение в зависимости от параметров лазерной структуры. С этой целью нами рассмотрена простейшая модель взаимодействия света с ДР. В этой модели коэффициенты потерь в верхний слой и подложку определяются поведением коэффициентов прохождения и отражения г. I в (-1) порядке дифракции, которые можно рассчитать независимо. На рис. 3 изображены зависимости относительных энергий дифракции от величины и/Л для синусоидальной гофрировки с глубиной «и» и шагом Л :

Т.|=к-(Е|),/2-!1−1р/кй И К ,=к (е2)г/г !г, р/к", где к=2к!Х, Кт=(к%о-рш-!)1″, (3,&bdquo--постоянная распространения ш-ой моды.

Как видно, при и/Л>0.15−0. величина начинает спадать, а Т.| выходит на насыщение, так что п ¦>

Рис.→. Зависимость относительных энергии дальнейшее увеличение глубины рассеяния от отношения а/а в (-1) и

-2) порядках дифракции. гофрировки не приводит к увеличению эффективности вывода. Общий коэффициент потерь на излучение а=а.|+аг при н/Л=(). 16 составил а= 130 см1.

Из проведенного анализа следует, что два основных параметра полупроводникового лазера (толщина волновода и глубина гофрировки «и») для достижения максимальной эффективности вывода генерируемого излучения должны быть оптимизированы.

Возможность получения узконаправленного излучения повышенной мощности в волноводном гетеролазере с фазовой ДР была впервые продемонстрирована в работе [4], где в условиях накачки электронным пучком экспериментально полученные значения мощности, выводимой через подложку, составили 30 кВт/см2.

1.5. Метод измерения показателя преломления на длинах волн генерации когерентного излучения в волноводных гетероструктурах 1пСаА5Р/1пР.

Создание лазерных излучателей требует знания значений показателя преломления и их зависимости от длины волны. Метод основан на использовании дифракционного вывода вынужденного излучения, возбуждаемого в слоях? п-лСа^АвуРьу излучением лазерного диода ОаАБ/АЮаАв или УАО Нс! лазера [12.22]. Тем самым автоматически учитывалась не только влияние состава слоя на его показатель преломления, но и влияние на значение показателя преломления высокой концентрации неравновесных носителей тока, отвечающей за инверсию населенности.

Вначале методом голографии и химического травления наносилась ДР с шагом «Л», близким к брегговскому для распределенной связи во втором порядке, но отличным от него. В первом порядке дифракции излучение для такой решетки выводится под углом «ф» к нормали к поверхности слоя. Образец в виде полоски со сколами, параллельными штрихам, и лазерный диод накачки помещались на оси гониометра перед щелью монохроматора. Измерялись углы вывода когерентного излучения, генерируемого непосредственно в волноводе 1пОаА$Р и выходящего через подложку 1пР. Точность определения углов составляла У. Поскольку генерация когерентного излучения имела место в достаточно большой области спектра, дифракционный вывод излучения позволял измерять спектральную зависимость эффектив

Рис. 4. Значения показателя преломления твердых растворов 1пОаА5Р. изопернодических с 1пР, на длине волны генерации: а — экспериментальные значения, б — расчет по методу модифицированного осциллятора, в. г — интерполяция п2 и п соответственно. ного показателя преломления N," мод волновода InGaAsP/InP. Значения N", определялись, исходя из (3). В случае, когда в нашем волноводе распространялось минимум 3 моды, из дисперсионного уравнения следовало: nf-W+UHW-W). что позволяло определить по дифракционному выводу показатель преломления четверного твердого раствора InGaAsP для разных его составов на длине волны его генерации с точностью не хуже 0.1% (рис.4). Получено хорошее согласие значении показателя преломления для энергий излучения вблизи ширины запрещенной зоны InGaAsP в широком диапазоне длин волн (1.05−1.55 мкм) генерации с моделью модифицированного одиночного осциллятора.

1.6. Полупроводниковый InGaAsP/InP (Х,= 1.55 мкм) лазер с РОС, обусловленной динамической решеткой.

В принципе, РОС в лазерах может быть реализована как на статической, так и на динамической ДР, представляющей собой периодическую модуляцию показателя преломления и (или) оптического усиления в активной среде, создаваемую только в течение импульса оптической накачки с пространственно модулированной интенсивностью.

Для создания РОС, обусловленной динамической ДР, использовалась схема интерференционной засветки, монолитно интегрированная с гетеролазерной структурой (рис.5) [16]. Активный слой InGaAsP (Eg=0.8 эВ) в процессе ЖФЭ легировался Zn с целью образования акцепторных уровней с концентрацией Na=10,7 cm На длинноволновом краю спектра фотолюминесценции этой гетероструктуры при Т=77 К наблюдалось плечо шириной — 40 мэВ, также свидетельствующее о наличии акцепторных уровней. Накачка активного слоя производилась через гофрированную поверхность подложки (шаг ДР на подложке был равен 0.449 мкм) излучением импульсного Nd. YAG лазера (Ьу=1.16 эВ). Подложка 1пР (Es=1.35 эВ) прозрачная для используемого излучения. Дифрагированные в +1-ом и -1-ом i.5Z Д., мкм

Рис. 5.С"пектр генерации РОС-лазера с динамической ДР (I) и спектр спонтанного излучения (2). На врезке показана оптическая схема интерференционной засветки. порядках световые пучки, распространяясь в подложке, падают на волноводный слой. За счет интерференции этих пучков в волноводном слое образуется динамическая ДР с шагом 0.2245 мкм вдвое меньшим периода ДР. изготовленной на поверхности подложки. Линия РОС-генерации наблюдалась в температурном интервале 110−120 К (рис.5). При относительном превышении пороговой интенсивности накачки примерно на 10% линия генерации исчезала, а на ее месте возникала линия суперлюминесценции. Необходимо отметить, что в нелегированных гетероструктурах генерация с динамической РОС не наблюдалась.

Совокупность данных экспериментальных фактов хорошо объясняется, если предположить, что генерация с динамической РОС обусловлена только переходами из зоны проводимости в мелкие акцепторные уровни, но не переходами зона-зона. В пользу этого предположения свидетельствует также численная оценка величины модуляции оптических свойств активного слоя с периодом 0.2245 мкм, обусловленной модуляцией концентрации свободных носителей и дырок, локализованных на мелких акцепторных уровнях, а также модуляцией температуры. Было показано, что вследствие диффузии свободных носителей и тепла как концентрационная, так и тепловая ДР не обеспечивают модуляцию оптических свойств, достаточную для образования РОС. Пространственно модулированная концентрация дырок, локализованных в изолированных акцепторных состояниях, выравнивается лишь в меру захвата свободных дырок на акцепторы. Оценка характерного времени этого процесса с помощью известных соотношений [11*] показывает, что глубина модуляции концентрации связанных дырок достаточна для возникновения РОС вследствие периодической модуляции оптического усиления, обусловленного переходами зона проводимости — акцептор.

Глава 2. Исследование спектрально-поляризационных свойств 1нСаАхР/1пР РОС-лазеров с двуосно деформированными квантово-размерными и объемными слоями.

2.1 .Предварительные замечания.

Существование единственной поперечной моды обеспечивается параметрами волновода, а- генерация на одной продольной моде осуществляется благодаря селективности РОС-резонатора. Но, как известно, одному продольному индексу резонатора отвечает две моды ортогональной (ТЕ и ТМ) поляризации, частоты которых могут заметно различаться. Таким образом, для одночастотного режима генерации необходимо также добиться поляризационной стабильности излучения. В структурах с резонатором Фабри-Перо такая стабильность обычно обеспечивается благодаря его высокой поляризационной селективности. Однако поляризующее действие волноводного резонатора с РОС значительно меньше, чем аналогичного резонатора с Фабри-Перо. Поэтому для обеспечения поляризационной стабильности таких гетеролазеров необходимо создать в активном слое условия для преимущественного усиления излучения одной определенной поляризации.

2.2. Влияние внутренних деформаций на поляризацию излучения в гетеролазерных структурах 1пСаА5Р/1пР.

Нами была обнаружена ТМ-поляризация генерируемого излучения в лазерах, выполненных на основе твердых растворов ¡-[пОаАвР [б]. Экспериментальные образцы представляли собой однослойные гетероструктуры 1П|.*СахА5|-)Ру-1пР. Толщины эпитаксиальных слоев варьировались в пределах 0.7−2.5 мкм. толщина подложки составляла «100−120 мкм. Генерация возбуждалась излучением азотного лазера. ТМ-поляризация генерируемого в образцах излучения наблюдалась на образцах, в которых постоянная решетки 1пСаА$Р слоя была меньше, чем постоянная решетки подложки 1пР ((Дз/а)1<0). Различие постоянных решетки и коэффициентов термического расширения контактирующих материалов гетероструктуры 1пОаА5Р-1пР приводит к деформации слоя твердого раствора, причем при (Аа/а)±<0 происходит сжатие слоя вдоль оси [100], перпендикулярной плоскости гетероперехода, а при (Да/а)^>0 — растяжение. Таким образом, твердый раствор ¡-пваАзР, имеющий кубическую симметрию в недеформированном состоянии, переходит в класс с тетрагональной симметрией. Деформация приводит к снятию вырождения (деформационное расщепление валентной зоны Д:) и появлению анизотропии в спектрах сложной валентной зоны и соответственно, в матричных элементах переходов с участием дырок. Рекомбинационное, из