Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Мощностные характеристики лазеров на квантовых точках и их надежность 13
1.1. Синтез структур с квантовыми точками на промышленных установках молекулярно-пучковой эпитаксии 14
1.2. Стабильность генерации через основное состояние квантовых точек 22
1.3. Мощные лазеры на квантовых точках 46
1.4. Надежность лазеров на квантовых точках 55
Выводы по Главе 1 64
Глава 2. Динамические характеристики лазеров на квантовых точках
2.1. Введение, методы измерения и анализа динамических лазерных характеристик 65
2.2. Модуляционные характеристики лазеров на квантовых точках. Влияние компрессии усиления 80
2.3 Высокоскоростная передача данных с использованием лазеров на квантовых точках 96
2.4. Влияние модулированного легирования активной области акцепторной примесью на температурную зависимость динамических характеристик и дифференциального усиления 104
2.5. Модуляционные характеристики лазеров с распределенной обратной связью на квантовых точках 111
Выводы по Главе 2 121
Глава 3. Исследование коэффициента уширения линии генерации (а фактора) в лазерах на квантовых точках 124
3.1. Введение 124
3.2. Экспериментальное определение коэффициента уширения линии генерации в лазерах на квантовых точках спектрального диапазона 1.3 мкм 130
3.3. Влияние модулированного легирования акцепторной примесью на температурную зависимость коэффициента уширения линии генерации 135
3.4. Влияние паразитной оптической обратной связи на характеристики лазеров на квантовых точках 139
Выводы по Главе 3 148
Глава 4. Полупроводниковые лазеры на основе квантовых точек со сверхширокими спектрами усиления и генерации 150
4.1. Введение 150
4.2. Формирование широких спектров усиления в массиве квантовых точек 157
4.3. Лазеры с широким диапазоном внешней перестройки на основе массивов квантовых точек с преднамеренно внесенной разупорядоченностью 168
4.4. Инжекционные лазеры на основе квантовых точек со сверхширокими спектрами генерации 174 Выводы по Главе 4 193
Глава 5. Широкополосные лазерные диоды на основе квантовых точек с низким шумом отдельных продольных мод для систем со спектральным уплотнением каналов 195
5.1. Введение: шумовые характеристики лазеров на квантовых точках 196
5.2. Анализ возможности использования индивидуальной продольной моды в системах высокоскоростной оптической связи 202
5.3. Высокоскоростная передача данных с помощью широкополосного лазера на квантовых точках 207
5.4. Система со спектральным уплотнением каналов на основе многочастотного лазера на квантовых точках 214
Выводы по Главе 5 225
Заключение 227
Список основных публикаций по теме диссертации 233
Список цитированной литературы
- Мощные лазеры на квантовых точках
- Высокоскоростная передача данных с использованием лазеров на квантовых точках
- Экспериментальное определение коэффициента уширения линии генерации в лазерах на квантовых точках спектрального диапазона 1.3 мкм
- Лазеры с широким диапазоном внешней перестройки на основе массивов квантовых точек с преднамеренно внесенной разупорядоченностью
Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы объем информации, передаваемой между компьютерами, продолжает быстро расти. По имеющимся оценкам с 2005 по 2009 год мировой трафик вырос 2 до 9 петабайт/месяц. Медные линии уже не справляются с увеличивающимися требованиями к ширине полосы передачи данных. В связи с этим, сети следующего поколения будут базироваться на оптических каналах связи. Таким образом, оптическая передача информации является одной из наиболее перспективных областей применений полупроводниковых лазеров.
В настоящее время в сетях передачи данных преимущественно используются лазеры с распределенной обратной связью на квантовых ямах. Однако такие лазеры обладают рядом внутренне присущих недостатков, в числе которых низкая температурная стабильность, влияние на работу лазера оптической обратной связи, вызванной отражением излучения от оптоволокна, изменение длины волны излучения при модуляции током, сложность изготовления, в особенности для высокоскоростной многоканальной связи. Компенсация этих недостатков приводит к сложности изготовления лазерных модулей и препятствует их широкому внедрению.
К моменту начала настоящей работы теоретически было предсказано, что избежать многих недостатков лазеров на основе квантовых ям позволяет использование лазеров с активной областью на основе нульмерных наноструктур - квантовых точек (КТ). В связи с этим в качестве объекта исследования были выбраны лазеры на основе самоорганизующихся КТ в системе материалов InGaAlAs на подложках GaAs, излучающие в спектральном диапазоне около 1.3 мкм.
Физика и технология приборов на основе КТ является одной из наиболее бурно развивающихся областей современной электроники. Вскоре после реализации первого лазера на КТ [1*] была экспериментально продемонстрирована возможность достижения низкопороговой генерации, в том числе в непрерывном режиме, показана возможность достижения длины волны генерации в диапазоне оптической связи, а также достигнут значительный прогресс в области теоретического описания свойств лазеров на КТ [2*]. Однако не было достигнуто комплексного понимания взаимосвязи приборных характеристик между собой и с фундаментальными физическими свойствами КТ. В результате улучшение одного приборного параметра (например, снижение пороговой плотности тока) сопровождалось ухудшением других (например, резким уменьшением эффективности). Более того, такие важные для приборных применений параметры, как динамические, шумовые и, отчасти, спектральные характеристики оставались вне исследований. Во многих случаях, наблюдаемые свойства структур определялись не физическими свойствами КТ, а невоспроизводимостью ростовых режимов, низким качеством интерфейсов, наличием дефектов и дислокаций.
Основной целью работы являлось комплексное исследование динамических, шумовых и спектральных характеристик лазеров на основе квантовых точек, определение их взаимосвязи с фундаментальными физическими свойствами квантовых точек, оптимизация приборных характеристик, а также разработка на основе полученных знаний нового поколения оптоэлектронных приборов с улучшенными по сравнению с существующими аналогами характеристиками.
Методы исследования. Лазерные структуры выращивались методом молекулярно-пучковой эпитаксии с использованием оборудования промышленного класса, что обеспечивает высокое кристаллическое и оптическое совершенство структур, а также высокую воспроизводимость результатов, и дает возможность систематически изучать влияние параметров массивов квантовых точек, определяющих их фундаментальные свойства, на характеристик приборов на их основе. Для изготовления лазеров на квантовых точках использовалась оптическая и электронная литография и плазмохимическое травление. Исследуемые приборные параметры лазеров включали их ватт-амперные характеристики, спектры усиления и генерации, деградационные, модуляционные и шумовые характеристики.
Научные положения, выносимые на защиту 1. О компрессии усиления.
Лазеры на квантовых точках характеризуются, по сравнению с лазерами на квантовых ямах, сильной компрессией оптического усиления с ростом концентрации фотонов в резонаторе. Это приводит к сильному демпфированию релаксационных колебаний, насыщению интенсивности генерации через основное состояние, уширению спектра лазерной генерации, возникновению генерации через возбужденное состояние при увеличении тока накачки.
-
О влиянии насыщенного усиления.
В лазерах на квантовых точках увеличение насыщенного усиления приводит к снижению фактора уширения линии, уменьшению его зависимости от тока, а также предотвращению генерации через возбужденное состояние вплоть до токов, многократно превышающих порог генерации.
-
О модулированном легировании.
Лазеры на квантовых точках с модулированным легированием акцепторной примесью обладают увеличенной по сравнению с нелегированными структурами температурной стабильностью дифференциального усиления, эффективности модуляции и фактора уширения линии.
-
О сверхшироких спектрах усиления и генерации.
В лазерах на основе нескольких слоев квантовых точек, центральная длина волны которых преднамеренно меняется от слоя к слою, уже при малых плотностях тока накачки достигаются сверхширокие спектры усиления и генерации, перекрывающие диапазон длин волн от основного до возбужденных оптических переходов.
-
О шуме интенсивности продольных мод.
В лазерах на квантовых точках относительный шум интенсивности продольных мод мал по сравнению с лазерами на квантовых ямах. Это позволяет использовать отдельные продольные моды для безошибочной передачи данных с высокой скоростью.
Научная новизна работы состоит в следующем.
-
Впервые установлена причина возникновения одновременной генерации через основное и возбужденное состояния квантовых точек при больших токах инжекции и сформулированы условия сохранения генерации на основном состоянии вплоть до высоких выходных мощностей.
-
Впервые исследовано явление компрессии усиления в лазерах на квантовых точках, его взаимосвязь с демпфированием релаксационных колебаний, уширением спектров лазерной генерации, уровнем шумов, определен коэффициент компрессии усиления.
-
Впервые исследовано влияние модулированного легирования квантовых точек примесью ^-типа на температурную стабильность модуляционных характеристик и фактора уширения линии, продемонстрирован эффект уменьшения их температурной зависимости.
-
Впервые проведены систематические исследования зависимости эффективности модуляции и фактора уширения линии от числа слоев квантовых точек в активной области. Впервые обнаружен и объяснен эффект уменьшения паразитного влияния оптической обратной связи в лазерах на квантовых точках.
-
Впервые предложен метод достижения сверхшироких однородных спектров усиления и лазерной генерации с помощью нескольких слоев квантовых точек, центральная длина волны которых преднамеренно меняется от слоя к слою.
-
Впервые показано, что относительный шум интенсивности отдельных продольных мод в лазерах на квантовых точках мал, и продемонстрирована возможность использования продольных мод в качестве отдельных каналов для параллельной передачи данных.
Таким образом, в ходе работы проведено комплексное исследование приборных характеристик лазеров на основе квантовых точек, выявлены их особенности, обусловленные фундаментальными физическими свойствами самоорганизующихся квантовых точек, а также определены методы оптимизации приборных характеристик путем целенаправленного изменения свойств активной области и конструкции лазеров.
Практическая значимость работы состоит в том, что в ней:
-
Впервые реализованы сверхмощные лазеры на квантовых точках (16 Вт в многомодовом лазере и 850 мВт в пространственно-одномодовом лазере) с длиной волны свыше 1.2 мкм и продемонстрирована их высокая надежность (срок службы более миллиона часов).
-
Впервые продемонстрированы одночастотные лазеры на квантовых точках с
U /" U U Л /Л
распределенной обратной связью с длиной волны в диапазоне 1.3 мкм, которые могут быть использованы в качестве оптического источника, работающего без системы термостабилизации в оптоволоконных сетях передачи информации средней дальности, обеспечивая температурно-стабильную (25-85С) безошибочную передачу данных со скоростью 10 Гбит/с.
-
В лазерах на квантовых точках продемонстрирован эффект уменьшения влияния паразитной обратной связи, который позволяет реализовать ввод излучения в волокно без оптического изолятора и тем самым упростить лазерный модуль.
Продемонстрирована передача данных на расстояние 20 км со скоростью 10 Гбит/с без оптических изоляторов.
-
Разработаны мощные (>200 мВт) одночастотные лазеры, перестраиваемые в широком (>160 нм) диапазоне длин волн, а также лазеры со сверхширокими (> 75 нм) спектрами генерации и высокой спектральной плотностью мощности излучения (>10 мВт/нм).
-
Продемонстрирована возможность использования многочастотного лазера на квантовых точках, обладающего низким шумом отдельных продольных мод, в качестве многоканального оптического передатчика в будущем поколении систем со спектральным уплотнением каналов, обеспечивающих скорость передачи данных > 500 Гб/с.
Таким образом, в ходе работы разработана технология и продемонстрированы лазеры на квантовых точках спектрального диапазона 1.2 - 1.36 мкм с рекордными характеристиками, превосходящими существующие аналоги, перспективные для высокоскоростной оптической передачи данных, а также для медицинских целей, удвоения частоты, спектроскопии, атмосферного мониторинга и других применений.
В результате диссертационной работы сформировалось новое научное направление в физике полупроводников - физика и технология лазеров на квантовых точках, управление их приборными характеристиками и их использование для высокоскоростной оптической передачи данных.
Апробация работы. Результаты, вошедшие в диссертационную работу, докладывались и обсуждались на Всероссийских и международных конференциях и симпозиумах: 9-15 Международных симпозиумах "Наноструктуры: Физика и Технология" (Санкт-Петербург, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005, 2007); Международных конференциях Западная фотоника (Сан Хосе, США 2006, 2007, 2008, 2009, 2010); Международных конференциях Европейская фотоника (Страсбург, Франция, 2004; Мюнхен, Германия, 2007); 25 - 28 Международных конференциях по физике полупроводников (Осака, Япония, 2000; Эдинбург, Великобритания, 2002; Флагстафф, США, 2004, Вена, Австрия 2006); 31 Европейской конференции по оптической коммуникации (Глазго, Шотландия, 2005); 12 Международной конференции по микроволновому излучению и телекоммуникации (Севастополь, Украина, 2002); Конференциях по лазерам и электрооптике (CLEO) (Сан Франциско,
США, 2004; Балтимор США 2005; Лонг Бич США 2006); 5 Белорусско-Российском семинаре «Полупроводниковые лазеры и системы" (Минск, Беларусь, 2005); 19 международной конференции по полупроводниковым лазерам (Шимане, Япония, 2004); 29 ежегодной конференции по волоконно-оптической связи (Лос-Анджелес, США, 2004); 2 Международной конференции по полупроводниковым квантовым точкам (Токио, Япония, 2002); 12 Международной конференции по динамике неравновесных носителей в полупроводниках (Санта-Фе, США, 2001); Международном симпозиуме по электронным приборам и материалам (Тайпей, Тайвань, 2002). Результаты исследований опубликованы в 65 научных статьях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 частей и заключения, содержит 254 страницы текста, включая 4 таблиц, 72 рисунка и список литературы из 91 наименования.
Мощные лазеры на квантовых точках
Для синтеза лазерных структур с квантовыми точками, результаты исследований которых представлены в настоящей диссертации, в основном использовалась установка МПЭ RIBER 49: Данная установка относится к промышленному классу и позволяет осуществлять одновременный синтез до пяти лазерных структур на подложках диаметром 3 дюйма (75 мм). Как будет показано в настоящем разделе, использование эпитаксиальнои установки подобного класса, при определенной модификации ее конструкции, позволяет достичь высокой однородности параметров структур с квантовыми точками по площади эпитаксиальнои пластины, а также высокой степени воспроизводимости параметров в последующих эпитаксиальных процессах. Как нам представляется, это является необходимым условием для достоверного исследования характеристик лазеров с квантовыми точками, т.к. гарантирует отсутствие каких-либо технологических флуктуации параметров, которые могли бы повлиять на характеристики исследуемых лазерных диодов.
Как известно свойства квантовых точек чрезвычайно чувствительны к температуре подложки при эпитаксиальном росте. Поэтому неравномерный нагрев подложки приводит к неравномерному распределению пика фотолюминесценции по поверхности структуры, что особенно сильно может проявиться в случае использования подложек большой площади. Блок держателя подложек установки МПЭ RIBER 49 включает в себя два нагревателя с независимыми термодатчиками, один из которых преимущественно отвечает за нагрев центральной части держателя, а другой - за нагрев периферии. Использование раздельного температурного регулирования позволило нам» минимизировать неравномерный нагрев подложки - разницу температуры в центре подложки и на ее периферии, оптимизировав распределение мощности между внутренними и внешними нагревательными элементами. С этой же целью мы изменили конструкцию заднего экранирующего кольца. Такие кольца обычно используют для предотвращения перегрева краев подложки. Как оказалось, форма кольца играет важную роль распределения температуры по подложке.
Неоднородность распределения температуры в процессе эпитаксиального роста оценивалась по положению максимума фотолюминесценции (ФЛ) массива квантовых точек, измеренному в разных точках поверхности образца. На рис. 1 представлено распределение максимума люминесценции по подложке диаметром 3 дюйма для четырех различных значениях разницы температур двух нагревателей (А): В случае Д=0С и использования стандартного заднего кольца пик фотолюминесценции обнаруживает сильный коротковолновый сдвиг на краю подложки, что обусловлено более высокой температурой роста при осаждении квантовых точек вблизи периферии подложки. Этот эффект может быть скомпенсирован разницей температур нагревателей (А=15С), но общая неоднородность длины волны люминесценции все еще остается достаточно большой (в пределах 15 нм). Для усовершенствованной конструкции экранирующего кольца нами была достигнута 1320
Однородность эпитаксиальных слоев также контролировалась с помощью исследования спектров электроотражения (contactless electroreflectance, CER). Этот метод позволяет получать профиль энергий переходов не только основных состояний (как в методе фотолюминесценции), но также и возбужденных переходов. На рис. 2 представлены спектры отражения, измеренные с шагом по координате 2.5 мм вдоль радиуса подложки. Как видно никаких сдвигов линий отражения и их формы не наблюдается, что свидетельствует о высокой однородности квантовых точек и покрывающих InGaAs слоев.
Кроме того, лазеры с широким полоском были изготовлены из различных частей одной эпитаксиальной структуры в четырех различных сторонних исследовательских центрах. Результаты тестирования этих лазерных диодов показали практически одинаковые параметры длины волны излучения, а также пороговой плотности тока (в пределах +/ 2%), что также явилось доказательством высокой однородности структур.
Для определения воспроизводимости технологии создания квантовых точек нами была исследована серия тестовых структур одинакового дизайна, изготовленных в номинально идентичных ростовых условиях. При этом сами ростовые процессы, в которых структуры были изготовлены, были отделены друг от друга в среднем около 150 других ростовых процессов. Исследования показали, что во всех случаях плотность дефектов не превысила 100 см"2. Параметры этих структур представлены в табл. 1, спектры фотолюминесценции показаны на рис. 3.
Высокоскоростная передача данных с использованием лазеров на квантовых точках
Увеличения частоты релаксационных колебаний, требуемого для достижения высоких значений предельной частоты модуляции, можно достичь повышая плотности фотонов So при увеличении тока накачки (S0ocJ0-Jlh). В эксперименте, в области относительно невысоких токов накачки наблюдается ожидаемое линейное возрастание квадрата частоты. релаксационных колебаний /? с ростом разницы; между током накачки и пороговым током (J — Jith) [23 j 33, 40 — 43];. днако в областиі более высоких» накачек происходит, отклонение от линейной зависимости;, что, связано; с: эффектами разогрева активной- области, т также: нелинейным насыщением; усиления , как будет обсуждатьсяї ниже: Также следует отметить,.что предел увеличения тока накачкшопределяетсяшадежностью работы лазера.
Из выражений (29) и (30) следует, что тогда как частота релаксационных колебаний возрастает пропорционально \fs , коэффициент демпфирования растет пропорционально плотности фотонов в первой степени. Таким образом, рано; или поздно лазер вступит в режим сильного демпфирования релаксационных колебаний. Следовательно, предельное быстродействие лазера (наибольшее достижимое значение f_3dB ) будет определяться значением ІС-фактора (выражение (31;)).
Для увеличения предельной частоты модуляции необходимо уменьшение і-фактора; что может быть достигнуто за счет снижения времени; жизни; фотонов в резонаторе (см. выражения (28); и (31)), т.е. за счет, увеличения оптических потерь на вывод излучения в; более коротких лазерных резонаторах. Следует, однако, учесть, что полные оптические потери в лазерах на основе квантовых точек не могут превышать максимальное (насыщенное) значение оптического усиления. Следовательно; для реализации высоких скоростей оптической передачи с помощью лазеров на основе квантовых точек требуется активная область, обладающая высоким насыщенным усилением, что может быть достигнуто увеличением числа слоев с квантовыми точками, а также уменьшением неоднородного уширения [45].
К началу исследований были опубликованы работы, посвященные исследованию» динамических свойств лазеров на КТ спектрального диапазона 1.0 мкм [10; 19; 20, .43, 46, 47]. Динамические характеристики лазеров, работающих в.диапазоне 1.3 мкм, исследованы не были. В то же время именно этот спектральный диапазон представляет наибольший" интерес для оптической связи, т.к. соответствует одному из минимумов затухания оптического сигнала в стандартном оптическом волокне, а также близкой к нулю хроматической дисперсии. Это открывает потенциальные возможности для использования лазеров с длиной волны излучения-вблизи 1.3 мкм для реализации систем волоконно-оптической связи средней дальности- (до, десятков- километров) со скоростью передачи данных 10Гбит/с. Учитывая, что в КТ-лазерах спектрального диапазона 1.0 мкм была достигнута полоса модуляции 5-7 ГГц, можно ожидать, что и в КТ-лазерах диапазона-1.3 мкм удастся достичь быстродействия, достаточного для осуществления скорости передачи 10 Гбит/с.
В данном разделе обобщены результаты экспериментальных исследований КТ-лазеров, работающих в спектральном диапазоне около 1.3 мкм. Наши исследования являются первыми работами на эту тему.
На начальном этапе исследований нами были изучены многочастотные лазеры с резонатором Фабри-Перо. Лазерные структуры, выращенные методом МПЭ, содержали 6 слоев квантовых точек. Были изготовлены лазеры полосковой конструкции типа мелкая меза с шириной полоска 30 мкм и длиной резонатора 1900 мкм. Для высокочастотных измерений лазеры напаивались / -контактом вниз на медные теплоотводы. Пороговый ток при комнатной температуре составил 165мА (соответствующая.плотность тока 290 А/см"), длина волны генерации была вблизи 1263 нм. Длина волны генерации около 1.3 мкм была достигнута методом заращивания- квантовых точек InAs тонким слоем (квантовой ямой) InGaAs.
Нами экспериментально исследовались динамические свойства лазеров при подаче прямоугольных импульсов тока с использованием двойного решеточного спектрометра и стрик-камеры. Применялась методика с временным и спектральным разрешением в режиме включения импульса тока. На лазерный диод подавались импульсы тока длительностью 5 не с временами нарастания и спада 100 пс и частотой повторения 38 МГц. Разрешение системы составляло 5 пс. На рис. 19 представлена картина спектров излучения с временным разрешением при подаче постоянного смещения 150 мА и импульсов тока магнитудой 190 мА.
Экспериментально полученная переходная характеристика имеет вид сильно демпфированных релаксационных колебаний, затухающих через 2-3 периода (модуляция интенсивности продольных линий от времени на рис. 19 незначительна). Причем, различные продольные моды имеют одинаковую частоту релаксационных колебаний. Из значения периода первого и второго релаксационного пика определена частота релаксационных колебаний fr, которая оказалась равной 1.7 ГГц при комнатной температуре.
Экспериментальное определение коэффициента уширения линии генерации в лазерах на квантовых точках спектрального диапазона 1.3 мкм
Измерения dX проводились в импульсном, режиме для предотвращения температурного сдвига резонаторной моды. Измеренный таким образом а-фактор в максимуме спектра усиления в 5- и 10-ти слойных лазерах имеет значение всего около 0.8 при токах несколько меньших пороговых.
При токах выше порога а-фактор определялся из высокочастотных измерений по методу FM/AM. Результаты измерений представлены на рис. 37.
В лазерах с 3-мя слоями квантовых точек а-фактор на пороге имеет значение 2.4 и резко возрастает начиная с токов выше двух пороговых до приблизительно 11 при /= З/th. В 5-ти слойных лазерах а-фактор на пороге имеет такое же значение 2.4, но его рост с током более медленный (при /=3ith значение а-фактора около 3.5) и становится существенным при превышении пяти пороговых значений (а = 11 при / = 8/th) В противоположность этому в лазере на основе 10 рядов квантовых точек а-фактор на пороге имеет меньшее значение 1.4 и демонстрирует лишь незначительное возрастание с ростом тока, оставаясь менее 4 вплоть до 12-кратного превышения порога.
Насколько известно автору, эти значения а-фактора являются рекордно-низкими в лазерах на квантовых точках в системе InAs/GaAs, работающих в диапазоне 1.3 мкм. Эти значения также не превышают лучших значений а-фактора, полученных в InP лазерах на квантовых ямах этого спектрального диапазона.
Как нам представляется, связь значения а-фактора с числом рядов квантовых точек в активной области может быть объяснена следующим образом. Согласно выражению (37) а-фактор обратно пропорционален дифференциальному усилению. При увеличении числа рядов квантовых точек возрастает максимальное модовое усиление (насыщенное усиление), которое может быть достигнуто на основном оптическом переходе. Это в свою очередь приводит к росту дифференциального усиления при увеличении числа рядов и соответствующему снижению а-фактора. Снижению а-фактора с ростом числа рядов квантовых точек также способствует подавление эффекта заполнения более высоко лежащих энергетических состояний (возбужденных состояний и смачивающего слоя) с ростом насыщенного усиления. Как следствие, сдвиг максимума вариации усиления в коротковолновую область спектра относительно положения линии генерации выражен незначительно.
Таким образом, показано, что увеличение насыщенного усиления, которое достигается в лазерах на основе многослойных массивов квантовых точек, позволяет в существенной степени уменьшить значение коэффициента уширения линии. Продемонстрированы рекордно-низкие значения а-фактора (менее 4) вплоть до 12-кратного превышения порога лазерной генерации в лазерах спектрального диапазона 1.3 мкм на основе 10 рядов квантовых точек.
Влияние модулированного легирования акцепторной примесью на температурную зависимость коэффициента уширения линии генерации
Как отмечалось в Главе 2, одним» из требований, предъявляемым к лазерам, для высокоскоростной оптической; связи, является;; низкая температурная чувствительность их характеристик. Нами;: было показано; что с помощью использования технологии модулированного легирования активной области примесью р-типа в лазерах на основе 10 рядов квантовых точек удается достичь высокой стабильности порогового тока и внешней: дифференциальной эффективности; а таюке реализовать безошибочную передачу данных на скорости 10 Гбит/с вплоть до?70 G1
В настоящем разделе нами представлены: результаты исследований температурной зависимости а-фактора лазеров на квантовых точках как с нелегированной, так и с р-легированной активной областью. Примесью р-типа был выбран углерод, оптимальная концентрация которого составила 12 атомов на одну квантовую точку.
Для высокочастотных исследований были изготовлены одномодоводовые лазеры гребенчатой конструкции с шириной полоска 3 мкм. На сколотые грани лазеров диэлектрические покрытия не наносились. Для улучшения динамических свойств лазеров длины резонатора выбирались из условия минимального порогового тока: 900 мкм в нелегированных и 1480 мкм в/ -легированных лазерах. Лазеры напаивались на высокочастотные теплоотводы с системой контроля температуры.
Лазеры с широким диапазоном внешней перестройки на основе массивов квантовых точек с преднамеренно внесенной разупорядоченностью
Как говорилось в главе 2, минимальное значение частоты появления ошибочных битов, которое можно достичь при оптимальном пороге срабатывания фотоприемника, зависит от отношения сигнал-шум (Q) оптического сигнала. Таким образом, исследование и оптимизация шумовых свойств полупроводниковых лазеров является чрезвычайно важной задачей. В одночастотном лазере, обладающим большим коэффициентом подавления боковых мод ( 40 дБ), значения приведенного шума интенсивности оказываются приемлемо низкими для его использования в системе . оптической связи. Однако, когда коэффициент подавления боковых мод уменьшается, т.е. лазер становится многочастотным, приведенный шум интенсивности одной продольной моды возрастает до неприемлемо высоких значений (см. например [86]). Это обусловлено так называемым эффектом биения (или распределения) мод, проявляющемся в случайном перераспределении интенсивности излучения между сосуществующими продольными модами лазерного спектра. Как оказалось, отличная ситуация может иметь место в полупроводниковых лазерах, активная среда которых характеризуется выраженным эффектом нелинейного насыщения усиления, или, говоря более широко, в лазерах, в которых релаксационные колебания сильно демпфированы. Так в работе [87] было показано уменьшение шума интенсивности основной моды двухчастотного лазера при введении в рассмотрение нелинейного насыщения усиления. В работе [44], на основании численного моделирования характеристик 21 продольной моды, был сделан аналогичный вывод и для многочастотного лазера: сильное демпфирование релаксационных колебаний подавляет флуктуации плотности фотонов в резонаторе, приводя к уменьшению шума интенсивности оптической мощности выделенной продольноймоды.
Именно такая ситуация имеет место в лазерах на основе квантовых точек. Как было обнаружено на основе анализа модуляционных характеристик (Глава 2), в КТ-лазерах релаксационные колебания сильно демпфированы, что обусловлено большим значением фактора компрессии усиления є. Величина є в исследуемых КТ-лазерах спектрального диапазона около 1.3 мкм была определена нами равной примерно 10"15 см3, что более чем на порядок превосходит значения, измеренные в лазерах на квантовых ямах. Таким образом, можно ожидать, что в лазерах на квантовых точках шум интенсивности продольных мод окажется ниже уровня, типичного для лазеров на квантовых ямах.
Ранее было продемонстрировано, что приведенный шум полной мощности многочастотного КТ-лазера имеет значения около -159 дБ/Гц в частотном диапазоне до 10 ГГц [24, 88]. Однако, вопрос о стабильности мощности, приходящейся на одну продольную моду оставался открытым, поскольку интенсивность выделенной продольной моды может испытывать значительные флуктуации даже если полная мощность остается стабильной (см. например [89]). Нами был впервые экспериментально исследован приведенный шум интенсивности выделенной продольной моды многочастотного КТ-лазера и показано, что он заметно ниже значений, характерных для лазеров на основе квантовых ям.
Излучение индивидуальной продольной моды выделялось из многочастотного спектра лазерного излучения с помощью внешнего перестраиваемого4 Фабри-Перо эталона. На рис. 60 проиллюстрировано временное изменение мощности одной выделенной продольной моды: Как видно; в течение более 3 часов сохраняется высокая стабильность мощности спектрально-выделенной продольной моды, являясь качественным указателем низких шумов интенсивности; достигаемых в лазерах на квантовых точках.
Для количественной оценки стабильности излучения спектрально выделенной продольной моды, было проведено измерение спектра шума относительной интенсивности. Измерения проводились в частотном диапазоне 100 кГц-1 ГГц с помощью быстродействующего (12 ГГц) малошумящего (эквивалентная шумовая мощность 3 пВт/Гц ) детектора Newport AD-40APDir и спектр-анализатора Agilent Е4448А (частотный диапазон 3 Гц...50 ГГц).
На рис. 61 приведены экспериментально измеренные спектры шума относительной интенсивности выделенной продольной моды излучения многочастотных лазеров спектрального диапазона 1.3 мкм на основе квантовой ямы InGaAsP, синтезированной на подложке InP, и квантовых точек InAs/InGaAs, синтезированных на подложке GaAs. Как видно, во всем частотном диапазоне измерения шум относительной интенсивности (RIN) продольной моды лазера на квантовых точках оказывается заметно ниже шума, измеряемого в лазере на основе квантовой ямы этого же спектрального диапазона. Среднее значение шума относительной интенсивности ( RIN ) в частотном интервале до 1 ГГц составило в лазере
