Излучательные характеристики инжекционных лазеров со связанными вертикальными резонаторами

• Автор: Скоров, Дмитрий Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 109 с. : ил.

Глава I. Обзор литературы
§ 1. Полупроводниковый лазер с вертикальным резонатором (ЛВР)
§ 2. Физические особенности ЛВР
§ 3. Методы моделирования ЛВР
§ 4. Конструкция современных ЛВР
4.1. Способы электронного и оптического ограничения
4.2. Мезаструктура
4.3. Ионное ограничение
4.4. Оксидная апертура
§ 5. Актуальные направления исследований
5.1. Одночастотный ЛВР повышенной мощности
5.2. Длинноволновые ЛВР
5.3. Многомодовые ЛВР большой мощности
5.4. Перестраиваемые ЛВР
5.5. Двухчастотные ЛВР
§ 6. Лазеры со связанными вертикальными резонаторами (ЛСВР)
6.1. Общая характеристика
6.2. Экспериментальные работы
6.3. Теоретические работы
6.4. Актуальность темы
ГЛАВА II. Математическая модель ЛСВР
§ 1. Постановка задачи
§ 2. Обоснование построения математической модели
§ 3. Метод эффективной частоты для решения волнового уравнения
§ 4. Скоростные уравнения
4.1. Скоростные уравнения в простейшей форме
4.2. Понятие коэффициента оптического ограничения
4.3. Скоростные уравнения с учетом пространственных

зависимостей параметров
4.4. Скоростные уравнения для лазера со связанными резонаторами
4.5. Расчет выходной мощности лазера
§ 5. Описание активной области
5.1. Растекание тока накачки
5.2. Локальное усиление
5.3. Показатель преломления в активной области
§ 6. Уравнения модели и численные методы их решения
§ 7. Конструктивные параметры ЛСВР
Глава III. Структура и методы селекции поперечных мод ЛСВР
§ 1. Общие особенности
§ 2. Ионная имплантация для селекции поперечных мод
§ 3. Параметры геометрического рельефа излучающей поверхности

ЛСВР, обеспечивающие селекцию поперечных мод
Глава IV. Структура и методы селекции продольных мод ЛСВР
§ 1. Основные параметры конструкции, определяющие структуру

продольных мод ЛСВР
§ 2. ЛСВР с резонаторами одинаковой оптической длины
§ 3. ЛСВР с резонаторами разной оптической длины
§ 4. Предельные значения спектрального интервала между продольными

модами
§ 5. Управление спектральными характеристиками ЛСВР при помощи
токов накачки
§ 6. Мощность генерации в двухчастотном режиме
§ 7. Особенности вывода излучения из ЛСВР
§ 8. Схема ЛСВР для двухчастотиой генерации
§ 9. Точность предложенной модели
Выводы
Литература

Актуальность темы исследования
Тема диссертационной работы относится к области оптоэлектроники, изучающей проблемы одновременного использования оптических и электрических методов для обработки, передачи и хранения информации. Основные элементы оптоэлектроники - источники света, оптические среды и фотоприемники. Именно благодаря быстрому развитию технологий в этой области, а точнее в системах оптоволоконной передачи данных, произошел глобальный технологический и научный прорыв в области коммуникаций - появилась всемирная компьютерная сеть интернет. Одной из основных составляющих технологической революции явилось создание компактных и легко управляемых источников когерентного излучения -полупроводниковых лазеров. Начало быстрого прогресса в разработках таких лазеров было положено в научной группе Ж.И. Алферова, где был создан первый полупроводниковый лазер на гетероструктурах, работающий при комнатной температуре [1]. В результате успешного развития полученной технологии полупроводниковые лазеры стали самым распространенным в мире источником когерентного излучения. В 1977 году японским ученым Кеничи Ига была предложена новая геометрия для полупроводникового лазера, а сконструированное им устройство получило название “лазер с вертикальным резонатором” (JIBP, англ. обозначение -VCSEL, Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser). Основная идея, заложенная в основу новой геометрии прибора заключалась в выводе излучения не с торцов лазера, в плоскости гетероперехода, а перпендикулярно ей. Это позволило облегчить изготовление и тестирование новых устройств, а также заметно упростило их интеграцию с другими элементами оптоэлектроники. Удачными оказались и рабочие характеристики новых лазеров. JIBP отличаются от полупроводниковых лазеров излучающих с торца симметричной диаграммой направленности излучения, малыми пороговыми токами, одномодовым по продольным модам режимом генерации. Первая публикация появилась в 1978 году [2], а первое работающее устройство было создано в 1979 году [3]. В дальнейшем JIBP прошли такой же путь развития, как и полупроводниковые лазеры традиционной геометрии [4-7]: демонстрация генерации

части носителей в резонаторе с характерным временем жизни фотона в резонаторе т и прироста числа фотонов из-за спонтанного излучения с фактором ц, который показывает какая доля спонтанного излучения попадает в данную моду. Считается, что величина г] имеет порядок 10’4 - 10‘5. Введены обозначения: vgroup - групповая скорость света в резонаторе, g - коэффициент усиления активной области, который в общем случае является функцией плотности носителей в активной области , температуры, длины волны излучения.
Появление в уравнении для фотонов коэффициента Va/Vcm имеет смысл согласования двух приведенных уравнений. Действительно, общее число актов вынужденной рекомбинации в активной области в единицу времени есть vgroupgS-Va,
тогда как во всем резонаторе в единицу времени прибавляется vgmup gS ■ Vcm фотонов,
появившихся в результате этих актов рекомбинации. Эти две величины не совпадают, и для согласования уравнений, при использовании предположения о 100% внутренней квантовой эффективности, одну из них необходимо умножить на указанный коэффициент. Другими словами, вынужденная рекомбинация увеличивает плотность фотонов в активной области на vgroup gS в единицу времени, однако во всем резонаторе увеличение плотности фотонов будет меньше, т.к. объем активной области меньше объема резонатора в Va/Vcav раз.
4.2 Понятие коэффициента оптического ограничения
В стандартной форме скоростных уравнений соотношение Va/Vcav обозначают как Г. Эта величина носит название коэффициента оптического ограничения (“optical confinement factor”). Однако в литературе при рассмотрении скоростных уравнений можно найти как минимум три коэффициента, имеющих близкие названия и смысл. Во избежание путаницы, хотелось бы уточнить, какие именно определения будут использоваться в данной работе.
В уравнениях (5) и (6) S является усредненной по объему резонатора плотностью фотонов. Однако в реальных устройствах эта величина является функцией координат. Для учета этой особенности в независящие от координат скоростные уравнения (5) и (6) вводится специальный коэффициент, в литературе обозначаемый