Микролазеры на основе гетероструктур с InGaAs квантовыми точками с резонаторами, сформированными селективным окислением слоев AlGaAs

• Автор: Блохин, Сергей Анатольевич
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 162 с. : ил.

ГЛАВА.1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Селективное окисление AlGaAs

1.1.1. Технология селективного окисления

1.1.2. Химия окисления

1.1.3. Кинетика процесса окисления

1.1.4. Микроструктура оксида

1.1.5. Механическая стабильность структур

1.2. Полупроводниковые микродисковые лазеры

1.2.1. Конструкция

1.2.1. Квантовые точки в качестве активной области микродисковых лазеров

1.3. Поверхностно-излучающие лазеры на основе вертикальных

МИКРОРЕЗОН ATOPOBS
1.3.1. Распределенные брэгговские отражатели
1.3.2. Активная область ПИЛВМ
1.3.3. Токовое ограничение в ПИЛВМ
1.3.4. Спектральное согласование спектра усиление имодовой структуры ПИЛВМ41
1.3.5. Тепловое сопротивление
1.3.6. Одномодовая генерация
ГЛАВА.2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКИ
2.1. РОСТ ГЕТЕРОСТРУКТУР МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНО-ПУЧКОВОЙ ЭПИТАКСИИ
2.2. Аппаратная реализация процесса селективного окисления
2.3. Методика подготовки образцов и особенности проведения экспериментов
2.4. Метод оценки механических напряжений в структурах GaAs/(AlGa)xOy
ГЛАВА.З. ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ СЕЛЕКТИВНОГО ОКИСЛЕНИЯ
3.1. Особенности кинетики образования оксида
3.2. Исследование механических напряжений в структурах GaAs/(AlGa)xOy
3.3. Влияние высокотемпературного отжига на микроструктуру оксида
3.4. Латерально-вертикальное окисление
Создание оксидных слоев со сложным профилем
ГЛАВА.4. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МИКРОДИСКОВ НА ОСНОВЕ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК С АСИММЕТРИЧНЫМ ВОЛНОВОДОМ, СФОРМИРОВАННЫМ МЕТОДОМ СЕЛЕКТИВНОГО ОКИСЛЕНИЯ
4.1. Аналитическая модель полупроводникового микродиска
4.2. Лазерная генерация в микродисках с квантовыми точками в качестве активной области
4.2.1 Микродисковые лазеры на основе субмоноспойных InGaAs квантовых точек
4.2.2 Микродисковые лазеры на основе InAs/InGaAs квантовых точек
ГЛАВА.5. ПОВЕРХНОСТНО-ИЗЛУЧАЮЩИЕ ЛАЗЕРЫ НА ОСНОВЕ ВЕРТИКАЛЬНЫХ МИКРОРЕЗОНАТОРОВ С СУБМОНОСЛОЙНЫМИ INGAAS КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ
5.1. Выбор конструкции прибора
5.2. Экспериментальная реализация ПИЛВМ

5.3. Оптические потери
5.4. Оптимальное согласование резонансной длины волны и спектра усиления
АКТИВНОЙ ОБЛАСТИ ПИЛВМ
5.5. Тепловое сопротивление
5.6. Одномодовый режим генерации
5.7. ПОВЕРХНОСТНО-ИЗЛУЧАЮЩИЕ ЛАЗЕРЫ НА ОСНОВЕ ВЕРТИКАЛЬНЫХ МИКРОРЕЗОНАТОРОВ С ФОТОННЫМ КРИСТАЛЛОМ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

На сегодняшний день полупроводниковые лазеры являются ключевыми элементами в быстродействующих волоконно-оптических линиях связи (BOJIC), устройствах оптической записи информации, высокопроизводительных компьютерных системах и локальных вычислительных сетях (ЛВС). Рост процессорных мощностей компьютеров -удвоение производительности процессоров каждые полтора-два года, а вместе с ним и потребностей современных компьютерных приложений требует все большей пропускной способности оптических систем. Так, за 20 лет тактовая частота процессора возросла от мегагерц до гигагерц, а пропускная способность Ethernet - от Мбит/с до Гбит/с, причем уже сейчас есть работающие прототипы Ethernet со скоростью передачи 10 Гбит/с. При таких высоких скоростях медные кабели обеспечивают малую дальность передачи информации порядка 30 метров (специальные кабели не более 100 метров), тогда как применение оптических волокон позволяет увеличить дальность на несколько порядков. Традиционные полосковые лазеры обладают большой расходимостью светового пучка и широким спектром излучения, что приводит к малому коэффициенту ввода света в одномодовое оптическое волокно и ограничению дальности передачи информации при требуемом уровне битовых потерь менее 10'10, соответственно. Дальнейшее увеличение скорости передачи данных возможно лишь при уменьшении влияния волновой и модальной дисперсии волокна, для чего лазеры должны работать в одномодовом одночастотном режиме. Следует отметить, что рост быстродействия лазеров должен сопровождаться ростом средней оптической мощности для поддержания того же уровня шумов на один импульс, что ограничит возможность применения приборов диапазона 850 нм. Таким образом, все возрастающие требования, предъявляемые к современным лазерам, используемых в системах передачи, обработки и хранении информации, обуславливают необходимость повышения спектрального и пространственного совершенства излучения, что делает актуальным разработку новых конструкций приборов.
На данный момент наиболее перспективными типами полупроводниковых микролазеров являются поверхностно-излучающие лазеры на основе вертикального микрорезонатора (ПИЛВМ), в которых оптическая волна распространяется в направлении, перпендикулярном к плоскости активной области (в направлении роста) [1], и микродисковые лазеры (МДЛ), где свет распространяется в плоскости активного слоя [2]. В случае ПИЛВМ высокодобротный резонатор формируется с помощью распределенных брэгговских отражателей (РБО), тогда как в МДЛ - за счет полного

смотря на гауссовый профиль дальнего поля, расходимость выходного пучка превышает 10°, что видимо, обусловлено малым размером самого рельефа.
Внести распределенные селективные потери в РБО можно также путем формирования треугольных отверстий в зеркале (см. рис. 14.о). В результате такие приборы с 14мкм оксидной апертурой демонстрируют одномодовую генерацию во всем диапазоне тока накачки с максимальной выходной мощностью 2 мВт и фактором подавления боковых мод более 45 дБ [123]. Более того, меняя глубину травления отверстий можно увеличить оптическую мощность до 7 мВт, при этом дальнее поле представляет собой деформированную фундаментальную моду и имеет сложную форму. Однако пороговый ток в таких приборах достигает 5 мА. Оптимизация параметров фотонной структуры и применение 10 мкм токовой апертуры, сформированной методом протонной имплантации, позволяет понизить пороговый ток до 4.2 мВт и продемонстрировать одномодовую генерацию во всем диапазоне тока накачки с максимальной мощностью более 3.5 мВт [124].
В работе [125] была продемонстрирована возможность получения одномодового режима генерации с ФПБМ 35+40 дБ в ПИЛВМ с ваАБ КЯ при формировании в верхнем РБО фотонного кристалла с дефектом (см. рис.14.п). Этот подход заключается в создании дополнительного пространственного ограничения для основной моды. Формируя в верхнем РБО пространственный рисунок можно изменить эффективный показатель преломления ПИЛВМ в латеральном направлении, и создать эффективный волновод. Оптимизируя контраст эффективного показателя преломления и ширину этого волновода путем варьирования геометрии пространственного рисунка можно добиться существования в ПИЛВМ только одной фундаментальной моды. Так применение фотонного кристалла (период 5 мкм, диаметр отверстий 2.5 мкм) с эффективным диаметром дефекта равным 10 мкм токовой апертуре, сформированной протонной имплантацией, позволило реализовать одномодовые (во всем диапазоне тока накачки) ПИЛВМ на ваАя КЯ с максимальной оптической мощностью порядка 1.3 мВт и ФПБМ более 40 дБ [126]. Дальнейшая оптимизация параметров фотонного кристалла (период 4.4мкм, диаметр отверстий 2.2 мкм, диаметр дефекта 6.6 мкм) и использование оксидной апертуры (9 мкм) показала возможность получения высокой выходной оптической мощности (3.1 мВт) во всем диапазоне рабочих токов в ПИЛВМ на СаАэ КЯ [125].
Таким образом, реализации ПИЛВМ на основе СМ 1пОаАз КТ с легированными ОаАз/АЮаАй РБО представляется актуальной задачей.