Физические принципы увеличения мощности излучения инжекционных лазеров

• Автор: Котельников, Евгений Юрьевич
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 102 с. : ил

Оглавление:
Введение
Глава 1. Обзор литературы
1.1. Подавление генерации поперечных мод высокого порядка
1.2. Увеличение мощности
1.3. Отвод тепла
1.4. Снижение пороговой плотности тока полупроводникового лазера.
1.5. Увеличение внешней дифференциальной эффективности и КПД
лазерного диода
1.6. Методы исследования распределения потенциала в
полупроводниковых гетероструктурах
1.7. Выводы из обзора литературы:
Глава 2. Селекция мод
2.1. Способ расчета профиля мод для диэлектрического волновода с
произвольным профилем показателя преломления
2.2. Волновод с обратным градиентом показателя преломления
2 з Лазеры с наклонными зеркалами
2.4. Результаты численных расчетов коэффициентов отражения мод в
лазерах с наклонными зеркалами
2.5. Результаты измерений лазеров с наклонными зеркалами
Глава 3. Способы увеличения максимальной оптической мощности лазерных диодов
3.1. Связь пороговой плотности тока и дифференциальной
эффективности лазерных диодов.
3.2. Выбор длины резонатора лазерного диода
3.3. Снижение плотности мощности на зеркалах полупроводниковых
лазеров

3.4. Увеличение плотности мощности катастрофической оптической
деградации зеркал
3.5. Применение сканирующей микроскопии электростатических сил для
наблюдения распределения полей в полупроводниковых лазерных
диодах
Глава 4. Фундаментальные физические ограничения на максимальную выходную мощность полупроводниковых
инспекционных лазеров
Глава 5. Заключение

Введение
С тех пор как впервые были высказаны идеи, лежащие в основе полупроводниковых лазеров [1], и получено экспериментальное подтверждение этих идей [2], предложены полупроводниковые гетеролазеры [3] и лазеры с раздельным ограничением [4], были достигнуты значительные успехи в изготовлении и изучении таких лазеров.
Полупроводниковые лазерные диоды находят все более широкое применение в различных областях науки и техники. Одной из основных характеристик лазерных диодов является выходная оптическая мощность. К моменту начала работы над диссертацией в 1989 году максимально возможная выходная мощность лазера со ЮОмкм полоском в непрерывном режиме генерации составляла 1Вт. Считалось, что при больших мощностях излучения будет превышен предел лучевой прочности материала лазерного диода. За прошедшее время точка зрения на основные факторы, ограничивающие мощность излучения лазерного диода, изменилась. В настоящее время лучшие значения мощности излучения лазеров со ЮОмкм полоском превышают 10Вт [5] в непрерывном режиме, и ограничены перегревом лазерного диода и катастрофической оптической деградацией зеркал.
До настоящего времени нет экспериментальных и теоретических оценок - возможно ли дальнейшее увеличение мощности лазерных диодов. Таким образом, работа по исследованию полупроводниковых лазеров остается актуальной и в настоящее время. Работа, результаты которой представлены здесь, была посвящена ответу на следующий вопрос: возможно ли в рамках существующих технологий увеличить мощность излучения полупроводниковых лазеров, какие механизмы и физические процессы могут ограничивать эту мощность, и какие изменения

уровнем носителей в прилегающем к активной области волноводе составлял как минимум 200 мЭв.
При использовании первых двух типов волноводов, приведенных на рис. 1, модовый состав в уширенных волноводах ухудшается, особенно с ростом тока накачки. Для борьбы с этим мы предложили волновод с обратным градиентом показателя преломления [71] (R-GRIN волновод) Зонная диаграмма такого волновода приведена внизу рис. 16. Если изготовить волновод, в котором показатель преломления у краев больше, чем в середине, то оптическая плотность моды заполнит объем волновода более равномерно [72], а поле мод будет сильнее проникать в эмиттерные слои.
По изложенной в предыдущем параграфе схеме были рассчитаны профили мод в трех различных типах лазерных волноводов. На Рис. 2 приведен профиль мод для плоского волновода: состав эмиттеров -Alo.ftGao^As, волновода- Alo^Gao^As. На Рис. 3 приведен профиль для традиционного градиентного волновода, а на Рис. 4 -профиль мод для R-GRIN волновода.
Если сопоставить данные этих расчетов, то можно сделать вывод, что традиционный градиентный волновод лучше удерживает основную моду, поэтому он позволяет иметь большое значение перекрытия волны и активной области - Г, а, следовательно, более низкую пороговую плотность тока. Однако при исследовании УВ-РОДГС лазеров многими авторами было отмечено, что при увеличении ширины волновода дальнее поле с некоторого момента перестает сужаться. Это связано с тем, что в уширенном GRIN волноводе мода удерживается не скачком показателя преломления на границах эмиттеров, как это происходит в обычном плоском волноводе, а градиентом показателя преломления в самом волноводе.