Введение к работе
Актуальность темы
Полупроводниковые лазеры в 80-90-е годы прочно вошли в повседневную практику. Со времени изобретения и первой практической реализации эти приборы квантовой электроники претерпели существенные изменения и усовершенствования с точки зрения как своей конструкции и рабочих характеристик, так и используемых материалов и применяемой технологии изготовления. Особое место среди полупроводниковых лазеров занимают инжекционные лазеры. Они производятся в коммерческих масштабах (несколько десятков миллионов приборов в год). Благодаря своим уникальным характеристикам - таким, как низковольтное питание, миниатюрность, малая инерционность, высокий к.п.д. и др. - они получили широкое применение в системах связи, бытовой и промышленной аппаратуре.
В широком распространении инжекционных лазеров определяющую роль сыграл переход к гетеролазерам, обладающим значительно улучшенными 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. В основе дальнейшего прогресса инжекционных лазеров лежало существенное улучшение характеристик лазерных диодов после освоения методов выращивания ультратонких слоев и развития технологий получения полосковых структур различных типов.
Рабочие характеристики тех систем, в которых используются инжекционные лазеры, напрямую зависят от параметров самих лазеров. Например, в системах записи и считывания информации для достижения максимальной плотности записи необходима фокусировка лазерного луча в пятно с размерами порядка длины волны излучения, в системах воло-
кошю-оптической связи ввод излучения осуществляется в одномодовое волокно, имеющее размер сердцевины всего несколько микрометров, и т. д. Все это предъявляет повышенные требования к качеству излучения лазерного диода, его модовой структуре и, следовательно, к конструкции.
Среди полосковых лазерных структур особое место занимают структуры с т. н. "поперечной стабилизацией" поля, т. е. с конфигурацией, обеспечивающей удержание моды в боковых направлениях. Из многочисленных вариантов подобных полосковых структур наибольшее распространение получили лишь некоторые, среди них - заращенные мезаполо-сковые и структуры с мелкой мезаполоской, известные также как структуры с гребневым волноводом (ridge-waveguide, RW).
Лазеры мезаполосковой конструкции с гребневым волноводом занимают сейчас, по-видимому, основную долю рынка полосковых лазеров. Сравнительно простая, дешевая и надежная технология на этапе формирования активной полоски делает эти приборы привлекательными с потребительской точки зрения. Широкое практическое использование лазеров этой конструкции, применение все новых полупроводниковых материалов в качестве их активных сред для расширения уже освоенного спектрального диапазона требует дальнейшего исследования таких лазеров, оптимизации их характеристик, в том числе и оптических. Оптимизация геометрии полосковой лазерной структуры в настоящее время базируется на моделировании оптической структуры лазерного диода.
Все это определило задачи данной работы.
Целью работы являлся расчетный анализ конфигурации и характеристик (частоты, усиления, потерь) лазерной моды в многослойных лазерных структурах, сформированных различными материалами: AlGaAs, GaAs, InGaAs и InGaAsP, а также по возможности наиболее детальное сравнение результатов расчета с опытом; экспериментальные исследования включали разработку некоторых новых лазерных структур (для полу-
чения излучения в диапазоне длин волн около 1.3 мкм и более 2 мкм), изучение этих лазерных диодов и других, работающих в диапазонах от 0.78 до 1.0 мкм, с точки зрения тех характеристик лазерного луча, которые связаны с оптической структурой и могут дать сведения о ней.
Научная новизна. В данной работе проведены экспериментальные исследования взаимосвязи бистабилыюстн ватт-амперной характеристики и картины излучения в дальней зоне в плоскости р-п-перехода в мезаполо-сковых лазерах InGaAs/GaAs с узким гребнем. На основе моделирования оптической структуры таких лазеров найдены параметры структуры (волновода), при которых зависимость модового усиления от накачки становится немонотонной (появляются участки с отрицательным дифференциальным модовым усилением). При двумерном численном моделировании оптических свойств мезаполосковых лазеров учтена дисперсия показателей преломления всех слоев гетероструктуры. Проведен анализ влияния "вытекающего" поля из активного волновода в перпендикулярном слоям направлении на модовое усиление лазера.
Практическая ценность работы. На основе напряженных квантово-размерных гетероструктур InGaAs/GaAs получены непрерывные лазеры (в диапазоне 980 нм) с бистабильным режимом генерации и скачком мощности 50 - 70 мВт. Созданы первые гетеролазеры, работающие в непрерывном режиме в диапазоне А, > 2 мкм, в которых использованы преимущества мезаполосковой конструкции с гребневым волноводом. В результате оптимизации гетероструктур с трехслойным волноводом на основе InGaAsP/InP (в диапазоне 1.3 мкм) продемонстрировано снижение плотности порогового тока до 400 А/см2 и получена генерация в непрерывном режиме при комнатной температуре на лазерах с широким контактом.
Совокупность представленных в диссертации экспериментальных и теоретических результатов позволяет сформулировать следующие выносимые на защиту положения:
Разработана численная модель многослойной (произвольное число слоев) полупроводниковой лазерной структуры для расчета конфигурации и интегральных характеристик лазерных мод, в которую включены а) комплексные оптические константы каждого слоя, б) поперечные вариации толщины, в) зависимость показателя преломления в активном слое от концентрации носителей. На этой основе выполнено численное моделирование лазерных диодов с гетероструктурами AlGaAs/GaAs, InGaAs/GaAs/AlGaAs и InGaAsP/InP.
Установлены следующие свойства лазерных структур, зависящие от волноводных параметров а) почти линейное убывание параметра оптического ограничения от толщины активного слоя в трехслойной структуре в отличие от квадратичного в обычных двойных гетерострукту- . pax; б) немонотонный ход модового усиления в лазерах с гребневым волноводом (явление отрицательного дифференциального усиления) при переходе от рефрактивного к диссипативному боковому ограничению; в) резонансный характер нарастания оптических потерь в лазерной моде при взаимодействии с паразитными модами в объеме диода в условиях фазового синхронизма.
Дано объяснение ряду явлений в изученных лазерах, связанных с волно-водными свойствами активной зоны: а) обратимому срыву генерации и гистерезису оптической мощности в InGaAs/GaAs-лазерах с узкими гребневыми вошюводамн; б) пульсациям излучения вблизи точки срыва в тех же лазерах; в) спектральной модуляции интенсивности в продольных модах InGaAs/GaAs -лазеров; г) взаимосвязи между плотностью тока и длиной волны в InGaAsPAnP-:ia3epax. Интерпретация этих явлений основана на детальном моделировании волноводной структуры.
- В разработках и экспериментальных исследованиях лазеров на основе InGaAs/GaAs/AlGaAs (А=0.95-1.0 икм), InGaAsP/InP (Л.=1.28-1.58 мкм) и InGaSbAs/AlGaSbAs/GaSb (Х=2.0-2.3 мкм) использованы данные и рекомендации, полученные при моделировании оптической структуры. При этом достигнуты следующие оригинальные результаты: а) в оптимизированных гетероструктурах на А. я 1.3 мкм с трехслойным волноводом продемонстрировано снижение пороговой плотности тока до 400-500 А/см2 и осуществлен непрерывный режим при 300 К в диодах большой площади; б) получены непрерывные лазеры при X » 0.98 мкм с бис-табильным режимом и скачком оптической мощности 50-70 мВт; в) созданы первые непрерывные лазеры, работающие при комнатной температуре в диапазоне X >2.0 мкм в которых использованы преимущества гетероструктур с гребневым волноводом.
Подробное изложение результатов дано в заключительной части реферата.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на научных семинарах Физического института им. П.Н.Лебедева РАН , на 9й Международной конференции по полупроводниковым лазерам (Рио-де-Жанейро, Бразилия, 1984г.), на 10й Международной конференции по полупроводниковым лазерам (Каназава, Япония, 1986г.), на 1 Vй Международной конференции по полупроводниковым лазерам (Бостон, США, 1988г.), на Международной конференции SPIE (OE/LASE'94, Лос-Анджелес, США, 1994г.), на Международной конференции SPIE (OE/LASE'95, Сан-Хосе, США, 1995г.).
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 11 научных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и выводов. В конце работы приведен список лите-
ратуры из 192 наименований. Общий объем диссертации, включая 47 иллюстраций, составляет 158 машинописных страниц.
