Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор литературы 14
1.1. Анализ многослойного планарного оптического волновода в анизотропных средах с потерями
1.2. Численный анализ планарного оптического волновода с применением матричного метода
1.3. Метод расчета спектра вытекающих мод многослойных оптических волноводов
1.4. Двумерная волноводная задача 20
1.5. Метод эффективного показателя преломления для расчета поперечных мод в случае двумерного лазерного волновода 21
1.6. Полупроводниковый лазер на основе многослойных структур с вытекающей в подложку волной 23
1.7. Лазер с вытекающей волной излучения в оптический волновод 26
1.8. Лазеры с расширенным волноводом 29
1.9. Сложные волноводные лазеры 30
1.10. Достижения в области мощных многослойных инжекционных лазеров, излучающих с торца 31
Глава II. Методы анализа и алгоритмы расчета многослойных структур полупроводниковых лазеров 34
2.1. Объект исследования 3 4
2.2. Волноводная модель многослойной диэлектрической структуры 35
2.3. Метод матриц переноса для расчета поля многослойной волноводной структуры
2.4. Метод конечных разностей для решения волноводной задачи многослойных диодных лазерных структур
2.5. Резонаторная модель 46
2.6. Самосогласованная модель инжекционного лазера 49
2.7. Алгоритм решения самосогласованной задачи 51
2.8. Метод ускоренного расчета самосогласованной модели инжекционного лазера. 55
2.9. Выводы 57
Глава III. Экспериментальное исследование образцов мощных ДЛ-ВИОР 59
3.1. Принципы работы и особенности структуры ДЛ-ВИОР . 59
3.2. Цели и суть эксперимента 65
3.3 Преимущество ГС 940-25S ДЛ-ВИОР 68
3.4. Результаты эксперимента 71
3.5. Выводы 77
Глава IV. Сравнение результатов расчёта с экспериментом для структур мощных инжекционных лазеров 78
4.1. Структура ДЛ-ВИОР на основе ГС 940-15 78
4.2. Структура ДЛ-ВИОР на основе ГС 940-25S 83
4.3. Выводы 89
Заключение 90
Литература 93
- Численный анализ планарного оптического волновода с применением матричного метода
- Полупроводниковый лазер на основе многослойных структур с вытекающей в подложку волной
- Метод конечных разностей для решения волноводной задачи многослойных диодных лазерных структур
- Принципы работы и особенности структуры ДЛ-ВИОР
Введение к работе
Актуальность темы исследования
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 гетероструктуре в системе GaAs-GaAlAs, работающий при комнатной температуре. В результате успешного развития технологии создания гетероструктур полупроводниковые лазеры стали самым распространенным в мире источником когерентного излучения. Со времени создания полупроводниковых инжекционных или диодных лазеров (ИЛ, ДЛ) в 1962 г. был пройден большой путь для улучшения их характеристик и изучения теоретических основ этих приборов. Переход от гомолазеров к гетеролазерам, а далее к лазерам на квантово-размерных структурах позволил существенно снизить пороговые токи (от десятков кА/см до десятков А/см ), увеличить выходную мощность, улучшить спектральные характеристики ИЛ. По сей день ведутся работы по дальнейшему улучшению излучательных и спектральных характеристик ИЛ и полупроводниковых оптических усилителей. Но, несмотря на это, остаётся ряд нерешенных проблем в физике полупроводниковых лазеров и усилителей. Два важнейших параметра требуют дальнейшего совершенствования - это выходная мощность одиночного лазера и ширина диаграммы направленности в плоскости, перпендикулярной р—n-переходу. Наука и производство требуют увеличения мощности и существенного сужения диаграммы направленности излучения. Существуют различные способы увеличения апертуры выходного пучка. Один из наиболее распространённых способов — создание расширенного волновода, то есть увеличение толщины волноводного слоя лазерной структуры или уменьшение разности показателя преломления между волноводными и ограничительными слоями. Для сужения диаграммы направленности также используются структуры с периодически изменяющимися профилями показателя преломления ограничительных слоев и лазерные структуры с системой туннельно связанных волноводов. Дальнейшее уменьшение этим способом расходимости пучка, по-видимому, невозможно, так как большая толщина волноводных слоев приводит к значительному снижению
коэффициента оптического ограничения, т.е. степени показателя пространственного перекрытия активных слоев и светового поля, росту порогового тока и ухудшению теплоотвода от активной области.
В основе прогресса инжекционных лазеров лежало существенное улучшение характеристик лазерных диодов после освоения методов выращивания ультратонких слоев и развития технологий получения полосковых структур различных типов. Большое значение имело преодоление явлений быстрой деградации лазеров и достижение ресурса 104-105 часов. С развитием гетеролазеров на основе квантово-размерных структур InGaAs/GaAs/AlGaAs, в которых подложка прозрачна для лазерного излучения, появилась возможность по новому взглянуть на создание приборов работающих на вытекающих модах.
Лазер с вытекающим излучением в расширенный волновод был предложен Д. Скайфресом в 1977 г. В подходе Д. Скайфреса в лазере с вытекающей волной узкая область усиления помещена в части структуры с более низким показателем преломления и световым «вытеканием» из области усиления. Недостаток этого подхода заключается в том, что он вызывает дополнительные «потери вытекания» и требует, в целом, более высоких плотностей порогового тока. Потери вытекания могут быть сокращены изменением конструкции. К тому же, если конструкция не оптимизирована, например, очень большой угол вытекания или слишком большое рассеяние света на отражающей поверхности, то свет может попасть на контактный слой, где будет рассеян или поглощен. Этот результат играет наиболее существенную роль в "длинных" устройствах, он обеспечивает неожиданно высокие «внутренние потери».
В 2000 г. Швейкином В.И. была предложена новая конструкция ИЛ. Был проведён теоретический анализ возможности увеличения выходной мощности излучения при использовании принципа вытекания по сравнению с классическими ИЛ. Было показано, что в лазерах традиционной геометрии со структурой типа «вытекающая волна» возможно увеличение мощности до 5 раз.
Известны лишь немногие работы, где предложены и реализованы диодные лазеры (ДЛ) с увеличенным размером излучающей площадки и в которых используется вытекающее излучение. Общим для них является развитие лазерной генерации в тонкой активной области (как в обычных торцевых ДЛ). Выходящим в таких устройствах является вытекающее в полупроводниковую подложку излучение.
Несмотря на высокую направленность выходного излучения, ДЛ с вытеканием излучения в подложку присущи следующие недостатки:
использование подложки в качестве области распространения излучения ограничивает выбор лазерных длин волн (из-за требования прозрачности подложки), и необходимых углов вытекания, особенно в области их малых значений;
наличие на одной грани расположенных рядом каналов излучения (вытекающего и традиционного торцевого) приводит к снижению эффективности ДЛ из-за технологической трудности разделения этих излучений.
В конструкции ДЛ, заложены предложенные В.И. Швейкиным новые принципы вовлечения в лазерную генерацию излучения, вытекающего при определенных условиях из активной области (оптического волновода). Эти конструкции ДЛ с вытекающим излучением в оптический резонатор обладают многими достоинствами, в том числе и многократно увеличенным размером излучающей площадки на выходной поверхности.
Диссертационная работа относится к области физики инжекционных лазеров и математического моделирования устройств оптоэлектроники, изучающей проблемы одновременного использования оптических и электрических методов обработки, передачи и хранения информации. В работе рассматриваются принципы моделирования многослойных лазерных и волноводных диэлектрических и полупроводниковых структур, которые составляют основу оптоэлектроники. Современные технологии выращивания многослойных структур позволяют создавать полупроводниковые ИЛ, с рекордной мощностью излучения на уровне десятков ватт. Одна из перспективных лазерных структур рассматривается в настоящей работе -диодный лазер с вытекающим излучением в оптический резонатор (ДЛ-ВИОР). Отсутствие достаточно точного математического анализа во многих случаях мешает реализации преимуществ таких устройств и их более широкому внедрению в оптоэлектронные системы. В настоящее время в литературе можно найти примеры лишь самосогласованных моделей инжекционных лазеров и ДЛ-ВИОР в частности. Эти модели, как правило, не могут дать хорошего описания физических процессов, происходящих в устройстве, потому что в них отсутствует решение задачи нахождения
распределения электромагнитного поля внутри структуры. В частности, в рамках единой задачи не рассматриваются важные при оптимизации лазера проблемы нахождения интенсивностей поперечных мод, пороговых токов и определения ватт-амперных характеристик (ВтАХ). Математическая модель, позволяющая проводить подробное теоретическое исследование ДЛ-ВИОР, с одной стороны, необходима для совершенствования конструкций подобных приборов, с другой, может позволить более полно раскрыть возможности таких устройств в современной оптоэлектронике. Это делает возможным замену исследования реальных устройств численным экспериментом, что должно существенно удешевить и ускорить разработку новых структур.
Цели диссертационной работы
Цели диссертационной работы состояли в создании метода теоретического описания, а также в создании инструмента проектирования мощного диодного лазера с вытекающим излучением в оптический резонатор и его применения для исследования и оптимизации излучательных характеристик инжекционных лазеров с вытекающей волной излучения в широкий волноводный слой. Для достижения целей были поставлены и решены следующие задачи:
Разработка математической модели диодного лазера с вытекающим излучением
в оптический резонатор и создание программы для численного моделирования
процессов генерации в этих устройствах;
Определение с использованием созданной модели пороговых токов, ВтАХ,
профилей интенсивности ближнего и дальнего поля излучения.
Научная новизна диссертационной работы
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Предложена математическая модель для быстрого и точного вычисления комплексных собственных значений (СЗ) и собственных функций (СФ) одномерного волнового уравнения для многослойных структур мощных инжекционных лазеров. Для этого использованы два метода, с помощью которых находятся, затем уточняются и обобщаются в комплексную область значений приближенные СЗ. В результате реализации модели появляется
возможность расчета активных волноводных и лазерных структур, в том числе с вытекающими модами.
Сравнение результатов расчетов СЗ и СФ по предложенной модели для структур, рассчитанных другими авторами с помощью других методов, показало лучшие результаты точности вычислений, особенно в области мнимых частей СЗ, что особенно важно при расчете активных волноводных и лазерных структур с вытеканием.
Предложенный метод нахождения СЗ волнового уравнения успешно был использован в самосогласованной модели многослойного инжекционного лазера для нахождения стационарных значений мощности излучения и профилей ближнего поля генерируемых поперечных мод.
Создан и опробован оригинальный метод ускорения численного решения самосогласованной задачи нахождения мощностных характеристик инжекционных лазеров.
Результаты измерений ВтАХ образцов многослойных инжекционных лазеров со слоем вытекания и результаты расчетов по предложенной модели показали хорошее совпадение.
Научная и практическая значимость работы
Созданная математическая модель может быть использована для улучшения излучательных характеристик ДЛ-ВИОР. Модель позволяет достаточно точно (в большинстве случаев с погрешностью 10-12%) предсказывать значения пороговых токов и ВтАХ конструируемого прибора.
Оптимизация конструкции лазера и модельный расчет позволяют повысить эффективность проектирования инжекционных лазеров для волоконно-оптических линий связи, приборов для считывания или записи информации, накачки твердотельных лазеров и других устройств, составляющих основу современной оптоэлектронной техники.
Достоверность
Представленные в диссертации результаты обоснованы теоретическим анализом, численным моделированием и были верифицированы на экспериментальных данных.
Положения, выносимые на защиту
На защиту выносятся следующие положения.
Методика расчёта постоянных распространения и профилей электромагнитного поля поперечных мод в многослойных активных и пассивных оптических волноводах (волноводная задача).
Методика расчёта частотного спектра, модового усиления и профилей поля оптических мод в активных резонаторах с многослойной полупроводниковой структурой (резонаторная задача).
Самосогласованная модель расчёта оптических и мощностных характеристик (частоты, профили ближнего и дальнего поля, пороговые токи, наклон ВтАХ) многослойных инжекционных лазеров, которая учитывает взаимное влияние неравновесных носителей в активном слое на оптические характеристики структуры и соответственно пространственное распределение полей.
Метод ускорения компьютерного решения самосогласованной задачи по поиску стационарных решений системы дифференциальных уравнений (в частных производных в общем случае), описывающих баланс количества фотонов и неравновесных носителей в структуре, вместе с волновым уравнением, описывающим пространственные, временные и частотные характеристики генерируемых лазерных мод.
Результаты расчётов по представленной методике характеристик одноэлементных ДЛ-ВИОР совпадают с экспериментальными данными приборов, изготовленных в компании GNOptics. Наблюдаются близкие значения пороговых токов, максимальных мощностей излучения и наклона характеристик в диапазоне токов накачки до 10 А в приборах с шириной активной области 100 мкм (максимальная расчетная мощность 8.5 Вт, экспериментальная 8 Вт) и до 22 А для ширины 200 мкм (20 Вт и 17 Вт, соответственно). Расчётные и экспериментальные значения пороговых токов составили 0,57 А и 0,6 А
соответственно для ширины полоска 100 мкм; 0,9 А и 1,1 А для ширины полоска 200 мкм. Пороговая плотность тока, таким образом, в рассмотренных ДЛ-ВИОР составляет 450 - 600 А/см . Расчетная расходимость излучения в дальнем поле составила 10, экспериментальная - 11 при поперечном размере области излучения 5 мкм. Апробация диссертационной работы
Результаты работы, изложенные в настоящей диссертации, докладывались на следующих научно-технических конференциях: «Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики» (25 - 30 октября 2009 г., Москва—Троицк), «VII Курчатовская молодежная научная школа семинар» (10-12 ноября 2009 г.) и на научных семинарах института системного анализа Российской Академии Наук.
Основные научные результаты опубликованы в 7 печатных работах. Из них 4 статьи в периодических научных изданиях, рекомендованными ВАК [1,3,6,7].
Структура и объем диссертации
Численный анализ планарного оптического волновода с применением матричного метода
Численные методы вычисления параметров электромагнитных мод в многослойных планарных оптических волноводах на основе активных сред или сред с потерями предложены во многих работах [9-19]. Для нахождения длин волн и распределения полей в волноводных модах требуется решение волнового уравнения. Для этого сначала необходимо найти спектр собственных значений (длин волн или постоянных распространения мод), решая дисперсионное уравнение.
Понятия волноводных и вытекающих мод фундаментальные понятия в оптической волноводной теории. Знание характеристик распространения мод является существенным для разработок многочисленных волноводных оптоэлектронных устройств, пассивных и активных компонентов, таких, как полупроводниковые лазеры, электропоглотительные и электрооптические модуляторы, переключатели, фотодатчики, оптические фильтры, коннекторы и т.д. Численные методы, с помощью которых можно эффективно и точно моделировать плоские оптические волноводы, важны, так как они используются как основной инструмент в процессе проектирования.
Метод матриц переноса (ММП) [9,10] как один из первичных инструментов для анализа многослойных планарных оптических волноводов, напрямую дает дисперсионные уравнения для мод ТЕ и ТМ, поддерживаемых такими структурами. Волноводы могут состоять из любой комбинации слоев: без потерь, с потерями (диэлектрик, полупроводник, металл) и активных слоев, включая квантовые ямы. Решение дисперсионного уравнения определяет набор значений для постоянной распространения, затем находит распределение электромагнитного поля для соответствующих мод. Для мод активных волноводов и волноводов с потерями, а также для вытекающих мод, постоянные распространения являются комплексными числами.
Традиционные численные алгоритмы поиска корней алгебраических уравнений, такие, как метод секущих [20], метод Ньютона и метод одномерного просмотра [21], не могут дать информацию о количестве мод, поддерживаемых волноводами, и нуждаются в начальном приближении к каждому существующему корню. Поэтому эти методы часто оказываются неэффективными и ненадежными. Существует строгие математические методы [22, 23] для поиска нулей или полюсов аналитической функции в комплексной плоскости. Эта техника основана на интегрировании в комплексной плоскости и может использоваться для решения дисперсионного уравнения многослойного плоского оптического волновода [24, 25]. Это -метод интеграла Коши (МИК) и метод главного аргумента (МГА).
В работе [26] решается дисперсионное уравнение в комплексной плоскости методом интеграла Коши. Такой подход применим к активным волноводам с потерями, без потерь, и к оптическим волноводам с антирезонансным отражением (ARROW). В работе были получены аналитические решения дисперсионного уравнения и предложен новый алгоритм, который значительно уменьшает требуемое для вычислений время. Это оказывает двойное действие: улучшается точность и уменьшается время вычисления по сравнению со стандартным подходом. Кроме того, рассмотрен другой вариант использования контура интегрирования по Коши, который является подходящим для вытекающих мод. Выполнены сравнения с результатами, других авторов. Авторы [26] дополнили ММП и МИК выводом и применением аналитических дифференциальных дисперсионных уравнений в анизотропных средах, алгоритмом для быстрого вычисления производных и контуром интегрирования для определения собственных значений для вытекающих мод. Использование аналитических производных вместе с предложенным алгоритмом улучшает точность метода и значительно уменьшает время компьютерного счета, требуемое для поиска мод. Интегрирование по предложенному контуру улучшает эффективность вычисления интеграла. Метод применим к волноводам как активным, так и ARROW (Anti Resonant Reflection Optical Wave-guides). Этим методом можно рассчитать параметры вытекающих и волноводных мод в анизотропных диэлектриках, описанных диагональным тензором диэлектрической проницаемости.
Существует ещё ряд методов нахождения спектра собственных значений (модового спектра) в многослойных структурах.
Метод полюсов коэффициента отражения [27,28] заключается в нахождении зависимости фазы знаменателя комплексного коэффициента отражения структуры от постоянной распространения падающей под углом оптической волны. Положение и ширина пиков этой зависимости определяют действительную и мнимую части постоянной распространения для поперечных лазерных мод.
Метод плотности волновых векторов [29] состоит в том, что структуру как бы помещают в металлический короб, для которого нахождение спектра волновых векторов (постоянных распространения) в присутствии многослойной структуры и без неё является более простой задачей, чем решение задачи только для многослойной структуры. Затем находится разность плотностей волновых векторов, рассчитанных для двух указанных случаев. Затем, как и в предыдущем случае, по виду кривой с пиками лоренцевой формы определяются постоянные распространения волноводной структуры.
В последние годы отмечается большой интерес к развитию точных численных и приближенных методов для изучения распространения электромагнитного поля в активных и пассивных планарных структурах (в том числе и с вытекающими модами) волновода [30-36]. Существующие методы становятся трудоемкими для расчета, когда применяются к пассивным (активным) неоднородным структурам.
Использование матричного метода в изучении распространения электромагнитных волн в многослойной среде известно в оптике [37,38]. Поскольку плоский волновод есть не что иное, как стек тонких пленок, стандартные математические методы, используемые в анализе оптических покрытий, таких как интерференционные фильтры, могут быть расширены, чтобы включать оптические волноводы. Так, Chilwell и Hodgkinson [9] и Walpita [10] применили матричный метод для определения особенностей распространения излучения в плоских волноводах. Оба метода включают в себя определение характеристической матрицы системы, а затем используют свойства волноводной моды для получения характеристического уравнения. Решения трансцендентного дисперсионного уравнения дают постоянные распространения волноводных мод. Упомянутые методы становятся довольно громоздкими, когда число слоев увеличивается [39]. Они, в частности, не пригодны для анализа структур с потерями, поскольку они включают решение громоздкой системы трансцендентных уравнений в комплексной плоскости.
Полупроводниковый лазер на основе многослойных структур с вытекающей в подложку волной
Со времени создания полупроводниковых инжекционных лазеров (ИЛ) в 1962 году была проделана большая работа по улучшению их характеристик и изучению теоретических основ работы этих приборов. Переход от гомолазеров к гетеролазерам, а далее к лазерам на квантово - размерных структурах позволил существенно снизить пороговые токи (от десятков кА/см2 до десятков А/см2), увеличить выходную мощность, улучшить спектральные характеристики. До настоящего времени ведутся работы по дальнейшему улучшению излучательных и спектральных характеристик ИЛ и полупроводниковых усилителей. Но, несмотря на это, ряд нерешенных проблем в физике полупроводниковых лазеров и усилителей остается. Два важнейших параметра, требующих дальнейшего совершенствования — выходная мощность одиночного лазера и ширина диаграммы направленности в плоскости, перпендикулярной рПп - переходу. Наука и производство требуют увеличения мощности и существенного сужения диаграммы направленности излучения. Существуют различные способы увеличения апертуры выходного пучка. Рассмотрим наиболее часто используемые. Один из наиболее распространённых способов это создание так называемого расширенного волновода, то есть увеличение толщины волноводного слоя лазерной структуры, или уменьшение разности показателя преломления между волноводными и ограничительными слоями [54,59-61]. Минимальное значение расходимости в плоскости перпендикулярной рПп - переходу данным методом было достигнуто в работе [59] и составляло 25, что в два раза меньше привычного значения. Для сужения .диаграммы направленности используются также структуры с периодически изменяющимся профилем показателя преломления ограничительных слоев и лазерные структуры с системой туннельно-связанных волноводов [62-64]. Последний метод позволил уменьшить расходимость излучения ещё в 2 раза. Так в работе [64] расходимость излучения в плоскости, перпендикулярной рПп-переходу, составила 13. Но, при любом способе сужения диаграммы направленности наименьшая расходимость излучения определяется дифракционным пределом и, следовательно, напрямую связана с толщиной оптической волноводной лазерной структуры. Так, при ширине диаграммы направленности 13 поперечный размер излучающей области составляет 6 мкм. Дальнейшее уменьшение этим способом расходимости пучка, по-видимому, невозможно, так как большая толщина волноводных слоев приводит к значительному снижению коэффициента оптического ограничения, то есть степени пространственного перекрытия активных слоев и светового поля, росту порогового тока и ухудшению теплоотвода от активной области.
Возможен ещё один способ увеличения выходной апертуры и, следовательно, сужения диаграммы направленности в перпендикулярной рПп - переходу плоскости, позволяющий уменьшить расходимость излучения до нескольких градусов, а также повысить максимальную выходную мощность без роста толщины лазерной структуры. Этот способ основан на использовании излучения, туннелирующего («вытекающего») в подложку через тонкий ограничительный слой. Структуру, в которой возможно вытекание, называют структурой с «вытекающей волной» (leaky-wave). Впервые этот способ был предложен и реализован для GaAs/AlGaAs лазеров в работе [3] и теоретически проанализирован в работе [65]. Однако описанные в этих работах лазеры имели высокую плотность порогового тока 7,7 кА/см при 300 К, а также существенный недостаток, заключающийся в том, что длина волны генерируемого излучения попадала в спектральную полосу резонансного поглощения подложки или была очень близка к ней. Неизбежным следствием этого были большие оптические потери в подложке ( 30 слГ1) и неудовлетворительные излучательные характеристики. В дальнейшем принцип структур с вытекающей волной был использован для фазовой связи излучателей в многоэлементных ИЛ в плоскости рПп -перехода [66,67]. Лазеры на структурах с вытекающей в плоскости перпендикулярной р-n переходу, волной не получили дальнейшего развития.
В широком распространении инжекционных лазеров определяющую роль в свое время сыграл переход к гетеролазерам [68,69], обладающим значительно лучше характеристиками по сравнению с гомолазерами. На основе гетероструктур стало возможным создание лазеров с узкой активной областью (полосковых лазеров), работающих в непрерывном режиме при комнатной температуре [70,71]. В основе прогресса инжекционных лазеров лежало существенное улучшение характеристик лазерных диодов после освоения методов выращивания ультратонких слоев и развития технологий получения полосковых структур различных типов. Большое значение имело преодоление явлений быстрой деградации лазеров и достижение ресурса 104-105 часов [72].
С развитием гетеролазеров на основе квантово-размерных структур в такой системе, как InGaAs/GaAs/AlGaAs, где подложка прозрачна для лазерного излучения, появилась возможность по-новому взглянуть на создание приборов, работающих на вытекающих модах [73]. В работе [5] были отмечены особенности кривой модового усиления, подтверждающие прозрачность подложки для генерируемого излучения. Использование этого благоприятного свойства прозрачности подложки в системе InGaAs/GaAs впервые было предложено для создания лазеров на вытекающих модах в [74]. В работе [4] были описаны разработанные и экспериментально исследованные полупроводниковые лазеры на структуре InGaAs/GaAs/InGaP с выходом излучения через подложку. Конструкции описанных лазеров не отличались своей геометрией от традиционных планарных ИЛ, но работали на модах подложки, а не на модах волноводного типа. Эти приборы были задуманы без обратной оптической связи через подложку. Для подавления такой связи коэффициенты отражения зеркал были сделаны 0,95 и 0,03 соответственно. Данная конструкция [4] позволила получить узкую диаграмму направленности в плоскости перпендикулярной рПп-переходу, с полушириной - 1 и максимальной мощностью 0,63 Вт при величине порогового тока 150 мА, что соответствует плотности тока 460 А/см. Был проведен аналогичный эксперимент [75], но с полупроводниковыми лазерами на структуре InGaAs/GaAs/AlGaAs. В данной работе была получена расходимость 0,45 при плотности порогового тока 740 А/см. В работе [8] был проведён теоретический анализ возможности увеличения выходной мощности излучения при использовании принципа вытекания по сравнению с классическими ИЛ. Было показано, что в лазерах традиционной геометрии со структурой типа «вытекающая волна» возможно увеличение мощности до пяти раз.
В работе [76] предложена новая конструкция ИЛ. Эти лазеры отличаются, от описанных выше, организацией оптической обратной связи посредством возврата вытекающего излучения в активный слой за счёт создания специальной геометрии зеркал. В результате предполагается достичь ещё большего уменьшения расходимости излучения в перпендикулярной рПп-переходу плоскости и увеличения выходной мощности.
Метод конечных разностей для решения волноводной задачи многослойных диодных лазерных структур
В современных лазерах существуют ограничения на мощность излучения, связанные с невозможностью получить одномодовую (по оси х) генерацию при толщине волноводного слоя более 1 мкм.
При превышении указанной толщины волноводной области возникает многомодовый режим генерации лазерного диода, что приводит к резкому снижению основных параметров лазера и, в первую очередь, к возникновению на выходе нескольких лучей, общая расходимость которых может возрастать до 120 и более, что для большинства применений неприемлемо. В ДЛ-ВИОР это принципиальное ограничение преодолено за счет создания многослойной структуры, в которой подавлено возникновение мод высших порядков. Экспериментально проверено, что в предложенных ДЛ-ВИОР с толщинами волноводных слоев в интервале от более 1 мкм вплоть до 10 мкм устойчиво сохраняется режим одномодовой генерации [79,80]. Это достигается соответствующим составом и толщиной слоев лазерной гетероструктуры при определённом соотношении между эффективным показателем преломления и показателем преломления слоя втекания.
Преодоление указанного ограничения, а значит, увеличение толщины волноводного слоя позволяет значительно улучшить основные параметры ДЛ-ВИОР, а именно: существенно (в 3 — 5 раз) снизить расходимость лазерного излучения в вертикальной плоскости; снизить пропорционально толщине волновода плотность лазерного излучения на выводной грани; увеличить при соответствующем отводе тепла в несколько раз выходную мощность лазерного излучения; увеличить надёжность и ресурс. Важным достоинством ДЛ-ВИОР является присущая им существенно повышенная модовая стабильность по отношению к стандартным диодным лазерам. На стандартных диодных лазерах показано, что их модовая стабильность возрастает при снижении коэффициента локализации лазерного излучения (коэффициента оптического ограничения) Г в активном слое гетероструктуры. Если для стандартных лазеров коэффициент Г находится в пределах 1,3 - 2,7%, то для ДЛ-ВИОР этот коэффициент, примерно, на порядок меньше. Это подтверждается экспериментально. Так, например, стабильная одномодовая генерация лазерного излучения стандартного диодного лазера реализуется при максимальной ширине полосковои волноводной области, не превышающей 3- 4(1-2) мкм, в то время как для ДЛ-ВИОР эта ширина достигает 8-12 мкм. Этим можно объяснить полученную компанией GNOptics повышенную мощность для одномодовых ДЛ-ВИОР.
Отметим также, что в отличие от обычных диодных лазеров для ДЛ-ВИОР необходим более тщательный расчёт гетероструктуры и большая точность выращивания отдельных слоев по толщине и составу.
Активная область этой гетероструктуры состоит из одного активного квантово размерного слоя InGaAs и двух барьерных слоев из GaAs. Со стороны р-типа над барьерным слоем расположен ограничительный слой из AlxGai.xAs, к которому примыкает сильнолегированный контактный слой р+ - типа GaAs. Со стороны п - типа барьерный слой граничит со слоем втекания AlyGai.yAs, имеющим, как правило, наибольшую толщину (3D 10 мкм и более). На подложке п - типа GaAs размещён ограничительный слой из AlxGai_xAs. Для состава слоя втекания выполняется условие у х. Вместе все слои ДЛ-ВИОР составляют волноведущую структуру. На рис. 3.2 и 3.3 схематично показано отличие ДЛ-ВИОР от обычного лазера. При этом условием правильного функционирования ДЛ-ВИОР является: п8 пэфф
Радикальное отличие состоит в том, что в диодных лазерах по сравнению с ДЛ-ВИОР вытекающее излучение снижают до минимума, так как оно равноценно потерям. В ДЛ-ВИОР в области рабочих токов контролируют достаточно высокий уровень вытекания излучения из активного слоя в слой втекания. Этот контроль осуществляется таким выбором состава и толщины слоев лазерной гетероструктуры, в том числе и слоя втекания, при котором выполняется условие: показатель преломления слоя втекания пвт превышает эффективный показатель преломления пэфф. При этом вытекающее излучение,
распределённое по всей поверхности активного слоя (а, следовательно, с малым углом расходимости), будет втекать в слой втекания вдоль продольной оси оптического резонатора под определёнными углами расходимости ф = ±cos(n300/ пет) в двух противоположных направлениях. Когда выполняется условие: tg(q ) в несколько (два-три и более) раз больше, чем отношение толщины слоя втекания dBT к длине оптического резонатора Lpe3, вытекающее излучение многократно отражается в вертикальной плоскости, от ограничительного и отражающего слоев, а также от зеркал оптического резонатора (с коэффициентами отражений Rj и R2), в результате этого в ДЛ-ВИОР формируется излучение в виде волноводной моды. Выходное излучение при этом будет направлено примерно под прямым углом к плоскости выходной оптической грани, а диаграмма его направленности будет зависеть, главным образом, от толщины слоя втекания и от номера возбуждённой моды.
Для практического применения часто требуется получение одной (основной) поперечной моды. Фундаментальной особенностью представляемых ДЛ-ВИОР является возможность устойчивого контроля основной моды при большой толщине слоя втекания, вплоть до экспериментально проверенного нами значений 10 мкм. Это позволило многократно (до 10 мкм) увеличить размер выходной апертуры при сохранении основной моды лазерного излучения в вертикальной плоскости и получить при этом угол расходимости излучения 0J- равным 7. В известных диодных лазерах с расширенным волноводом уже при ширине волноводного слоя, превышающей 1 мкм, возникают моды высоких порядков. Такое отличие объясняется принципиально другим механизмом формирования мод в ДЛ-ВИОР, а именно: индекс (номер) возбуждаемой моды жёстко определяется углом вытекания ср. Этот угол, в свою очередь, зависит от толщины слоя втекания.
Для создания эффективных ДЛ-ВИОР с качественным излучением необходимо контролировать токовую зависимость коэффициента локализации оптического излучения в активном слое. При малых плотностях токов для обеспечения низких порогов лазерной генерации желательно, чтобы доля этого излучения, определяемая указанным коэффициентом локализации, была относительно велика, т.е. сравнима с коэффициентом локализации для обычных диодных лазеров. При этом вытекающее излучение может быть незначительным или даже отсутствовать. После достижения порогового тока генерации в остальном диапазоне рабочих токов достаточно только поддерживать достигнутый пороговый уровень излучения в активном слое. Вытекающее излучение будет возрастать с увеличением тока накачки, и при достаточном превышении порога генерации доля излучения, выходящего из активного слоя, в полном выходном излучении будет превалирующей.
Принципы работы и особенности структуры ДЛ-ВИОР
Первое преимущество состоит в том, что инжекция неравновесных носителей (электронов и дырок) реализуется в квантовую яму активной области с очень малой (нанометровой) толщиной, равной 0,008 мкм. Так как объём квантовой ямы очень мал и, следовательно, поток инжектированных носителей велик, то инверсия в активном слое достигается при малой плотности тока накачки и, следовательно, пороговая плотность тока для возникновения лазерной генерации должна быть также малой. Инверсия носителей означает то, что при протекании тока достигается пограничное состояние перехода от межзонного поглощения к усилению, при котором возникает равенство между концентрацией инжекционных электронов и концентрацией инжектированных дырок. Дополнительно снижение пороговой плотности тока и ослабление её температурной зависимости определяется расщеплением квантовых энергетических уровней, в основном, в электронной зоне проводимости, при котором инверсия носителей достигается при уменьшенной концентрации электронов и дырок.
Второе преимущество определяется тем, что при достаточно большом расщеплении энергетических квантовых уровней в активном слое (желательно более 100 мэВ) в одномодовом ДЛ-ВИОР можно реализовать одпочастотный режим генерации лазерного излучения. Это важный момент. Он позволит не только создать одномодовые одночастотные ДЛ-ВИОР с повышенной мощностью излучения, но и новые не имеющие аналогов устройства с высочайшим качеством излучения: интегральный лазер-усилитель, многолучевой лазер-усилитель и многолучевой лазер - усилитель с вертикальным выводом излучения.
Третье преимущество состоит в том, что в ДЛ-ВИОР с квантовой ямой можно существенно снизить внутреннее поглощение лазерного излучения за счёт низкого легирования волноводных областей п - типа и р - типа (включая слой втекания n-типа), поскольку носители тока надёжно закрыты в квантовой яме. Это определяет высокую наклонную эффективность лазерного излучения (до 90%), в том числе в высокомощных ДЛ-ВИОР с повышенной длиной оптического резонатора до 4 мм и более. Высокое качество исходных материалов, используемых при выращивании эпитаксиальной лазерной гетероструктуры, позволяет при этом достичь наклонную эффективность, близкую к 100%.
Четвёртое преимущество состоит в том, что нанометровая толщина активного слоя даёт возможность использовать полупроводниковые соединения, постоянная кристаллической решётки которых не полностью согласована с постоянной кристаллической решётки подложки GaAs. Это даёт возможность, меняя состав полупроводникового соединения в активной области, создавать ДЛ-ВИОР в широком диапазоне длин волн, примерно от 610 до 1200 нм. Так, при длине волны 940 нм активный слой выращивается в виде тройного кристаллического полупроводникового соединения InxGax_xAs, в котором содержание атомов индия х = 10%, галлия - 90%, мышьякаП100%, т.е. 10% галлия заменено индием. Указанные замещения атомов вводят упругие напряжения в лазерную гетероструктуру, которые могут приводить к расширению расщеплённых квантовых уровней, что уменьшит пороговую плотность тока. Напряжения в гетероструктурах нельзя допускать, так как они приводят к возникновению дислокаций.
При изготовлении ДЛ-ВИОР, интегрального лазера-усилителя, многолучевого лазера-усилителя и многолучевого лазера-усилителя с вертикальным выводом излучения возникает необходимость нанесения на оптические грани отражающих и антиотражающих (просветляющих) покрытий, представляющих собой слоистую структуру из диэлектрических материалов. Толщина указанных покрытий также наноразмерная и должна зависеть от длины волны лазерного излучения и колеблется в интервале от 40 до 90 нм.
Для определения наилучшей гетероструктуры на данной длине волны проводились измерения лазеров с шириной полоска W=100 мкм и отступом К=3мкм. Максимальная мощность равная 8,9 Вт при токе 10 А была получена на лазере ГС 940-25S, при этом пороговый ток составил 0,6 А.
Вольт, и ватт-амперные характеристики лазерных диодов для ГС 940-15 с шириной полоска 100 мкм (выборочно), приведенные в таблицах 3.1-3.3 на рис. 3.7D3.9, зависят от глубины канавки (U) D 4 мкм, а также в особенности от размера отступа полоска до боковой грани резонатора (К) 2, 3, 4 мкм.
Средняя мощность излучения ДЛ-ВИОР измерялась прибором OPHIR NOVA II (с комплектом измерительных головок OPHIR PE10-SH-V2, OPHIR PE50-SH-V2 и OPHIR L30A-SH-V1) с паспортной точностью ±15%.
