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

• Автор: Кучинский, Владимир Ильич
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 60 с. : ил.; 20х15 см

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Одним из наиболее ярких достижений 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 СвАб-.lGaAs [6*,7*]. Однако к началу наших работ генерация лазерного излучения за счет г-аспределенной обратной связи во втором порядке не была реализована. Между тем, стало ясно, что периодические оптические неоднородности в гетероструктурах в сочетании с оптической накачкой открывают но ’е сти изучения как
физических параметров этих структур т- б<-' .л--1 и з них.
Развитие систем волоконно-опти истем связи в 70-х годах и особенно
получение группой японских исследова.. 1979 году волоконных световодов с
' ф :
минимальными оптическими потерями в ,7 тьном диапазоне 1.5-1.6 мкм [8*]. а также демонстрация возможности усилен и '-в этой спектральной области на
основе кварцевого волокна, легированного ионами эрбия Ег’+ [9*], потребовало создания одночастотных инжекционных лазеров для этого спектрального диапазона. Такие лазеры могли быть созданы на основе 1пС>аАзР /1пР гетероструктур со встроенными оптическими периодическими неоднородностями (со встроенной ДР). Следует отметить, что большая деградационная стойкость материала ИЮаАяР из-за меньшей (на три порядка) скорости поверхностной рекомбинации по сравнению с АЮаАэ снимает ограничения, накладываемые на расположение дифракционной решетки относительно активного слоя, и 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 ГгЮаАзРЛпР (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 1гЮаА5Р/1пР РОС-лазеров для спектрального диапазона 1.3 мкм.
Таким образом, проблема получения и исследования ГпОаАяРЛпР-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 неоднородностями,
* изучение процессов генерации вынужденного излучения в гетеролазерных
структурах 1пОаАзР/1пР (1.55 мкм) с периодическими оптическими неоднородностями,
в исследование спектральных, поляризационных и динамических характеристпк
инжекинонных ГпОаАзРЛпР-лазеров с РОС.
Сильная расстройка во втором случае получена за счет подавления мод Фабри-Перо путем создания поглощающей области вблизи одного из торцов лазерного диода.
Из рис. 2 видно хорошее согласие расчетных и экспериментальных данных.
Таким образом, РОС-лазеры с большим значением кЬ и большей коротковолновой расстройкой обладают лучшим быстродействием.
3.4. Ширина линии генерации в 1пСаАкР/1пР
(2=1.55 мкм) гетеролазерах с РОС
Рис.! 2.Экспериментальные и теоретичес-Исследование ширины линии кие зависимости частоты РК от
излучения РОС-лазеров изучалось нами с корня квадратного из выходной
мощности для РОС-лазеров двух
помощью конфокального сканирующего типов
интерферометра (КСИ) Фабри-Перо.
Спектральная линия РОС-лазера имела классическую лоренцевскую форму. Измерения продемонстрировали линейную зависимость ширины линии от обратной выходной мощности, в соответствии с классической формулой Шавлова-Таунса[14*].
Наименьшее значение ширины линии излучения на половине высоты было получено в образце с ДХ=-26 нм и к=140 см 1 (кЬ=3.5) и составило 9.5 МГц с учетом разрешения КСИ [38] при Р=0.6 мВт (ДмР=5.7 МГцмВт). В данном случае получение минимальной ширины линии при сравнительно низкой мощности обусловлено снижением дифференциальной квантовой эффективности в условиях сильной обратной связи (кГ»3) и коротковолновой расстройкой.
3.5. РОС-лазеры с составным активным слоем
Нами исследована возможность увеличения эффективной спектральной ширины полосы усиления гетеролазерной структуры с РОС. Такая задача является актуальной при разработке систем передачи информации со спектральным уплотнением, когда набор РОС-лазеров с разнесенными частотами генерации создается на основе одной эпитаксиальной структуры с использованием переменного шага ДР.
Расширение полосы усиления без существенного ухудшения пороговых характеристик может быть достигнуто за счет использования активного слоя с переменной шириной запрещенной зоны. Однако методика ЖФЭ не позволяет получать слои 1пОаАяР, изопериодические с !иР, с плавным изменением ширины запрещенной зоны Е? по толщине. Возможным выходом является создание составной
Ур(м8т)