Генерационные характеристики лазеров с вертикальным резонатором на основе гетероструктур InGaAs-AlGaAs Деребезов, Илья Александрович

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Лазеры с вертикальным резонатором 11

1.1 Принцип работы и структура мод ЛВР 11

1.2 Лазеры с низким порогом 19

1.3 Миниатюрный атомный стандарт частоты на основе ЛВР 20

Глава 2. Методы расчета характеристик микрорезонаторов 24

2.1. Модель характеристических матриц 24

2.2. Модель собственных мод 28

Глава 3. Экспериментальное оборудование и методики

3.1. Методики измерения характеристик ЛВР и тестовых образцов 34

3.2. Изготовление ЛВР 42

Глава 4. STRONG Исследование характеристик ЛВР с длиной волны генерации 850 нм

на основе GaAs квантовых ям STRONG 52

4.1. Дизайн структуры и расчет характеристик лазера с вертикальным резонатором на основе GaAs квантовых ям 52

4.2. Исследование генерационных характеристик ЛВР на основе GaAs квантовых ям 60

4.3. Модель тонкой структуры линий излучения основной моды ЛВР 74

Глава 5. Разработка и исследование характеристик ЛВР основе InGaAs квантовых ям 79

5.1. Разработка ЛВР с малыми оптическими потерями 79

5.2. Исследование спектральных и генерационных характеристик лазеров с вертикальным резонатором на основе InGaAs квантовой ямы 90

Глава 6. Исследование характеристик ЛВР с длинной волны генерации 795 нм на основе AlGaAs квантовых ям 96

6.1. Миниатюрный атомный стандарт частоты на основе ЛВР 96

6.2. Оптимизация режимов роста ЛВР с целью получения резонансной длины волны микрорезонатора с точностью ±1 нм 101

6.3. Исследование спектральных и генерационных характеристик лазеров с вертикальным резонатором 108

6.4. Анализ температурных зависимостей длины волны лазерного излучения в диапазоне температур 20 -г- 80 С 123

Заключение 128

Список литературы 133

• Миниатюрный атомный стандарт частоты на основе ЛВР
• Методики измерения характеристик ЛВР и тестовых образцов
• Исследование генерационных характеристик ЛВР на основе GaAs квантовых ям
• Исследование спектральных и генерационных характеристик лазеров с вертикальным резонатором на основе InGaAs квантовой ямы

Введение к работе

Актуальность темы

Полупроводниковые лазерные диоды (ЛД) традиционной полосковой конструкции в настоящее время активно и успешно используются для самого широкого спектра практических приложений: в лазерных принтерах, волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС), оптических системах записи и хранения информации, оптических датчиках и сенсорах, устройствах накачки твердотельных лазеров, медицинской аппаратуре, контрольно-измерительной аппаратуре, оптических системах обработки информации [С1]. Однако традиционные полосковые лазеры обладают несколькими принципиальными недостатками, обусловленными их конструкцией, к числу которых можно отнести:

несимметричная диаграмма и большая угловая расходимость выходного излучения ЛД, что приводит к малому коэффициенту ввода света в оптическое волокно;

высокая температурная нестабильность длины волны лазерного излучения (на уровне 0,30,4 нм/градус);

существенная температурная зависимость порогового тока ЛД ;

невозможность тестирования приборных структур на подложке до их разделения на индивидуальные кристаллы и монтажа на радиатор;

Все возрастающие требования, предъявляемые к современным лазерам, используемым в системах передачи, обработки и хранения информации, обуславливают необходимость преодоления недостатков традиционных полосковых ЛД, что делает актуальным разработку новых конструкций приборов. На данный момент одним из наиболее перспективных типов полупроводниковых лазеров, лишенных перечисленных выше недостатков, является инжекционный лазер с вертикальным резонатором (ЛВР) [С1 - С5]. Современные варианты конструкции ЛВР основаны на использовании вертикальных оптических высокодобротных микрорезонаторов с зеркалами в виде распределенных брэгговских отражателей (РБО) [С1, С2]. При такой конструкции микрорезонатора излучение распространяется в направлении, перпендикулярном к плоскости эпитаксиальных слоев, образующих лазерную структуру [С6]. В качестве активной области в ЛВР используются квантово-размерные структуры, квантовые ямы (КЯ) или квантовые точки (КТ), помещаемые вблизи пучностей оптического поля микрорезонатора. Брэгговские отражатели обеспечивают эффективную локализацию электромагнитной волны в вертикальном направлении. Оксидные апертуры, получаемые с помощью селективного окисления слоев AlGaAs с высоким содержанием Al, задают эффективную локализацию электромагнитной волны в латеральном направлении. Оксидные апертуры обеспечивают также эффективное токовое ограничение. К числу основных преимуществ ЛВР по сравнению с традиционными инжекционными лазерами полосковой конструкции можно отнести:

малую угловую расходимость и симметричную диаграмму направленности выходного излучения ЛВР, обусловленную цилиндрической симметрией микрорезонатора;

существенно меньший объем микрорезонатора (единицы мкм ), обеспечивающий экономичность работы данного типа лазерных излучателей (пороговые и рабочие токи единицы мА и меньше [C7]), а также высокое быстродействие излучателей (частота токовой модуляции достигает десятков ГГц [C8]);

высокую температурную стабильность длины волны (на уровне 0,05 нм/градус);

групповую технологию изготовления, обеспечивающую возможность тестирования ЛВР непосредственно на пластине без разделения на отдельные кристаллы.

В течение последних десяти лет ЛВР все шире используются в телекоммуникационных системах, в частности, в локальных ВОЛС. Однако, и в настоящее время актуальной остается задача исследования физических процессов работы ЛВР, детального исследования их характеристик с целью улучшения их приборных параметров, исходя из требований конкретных новых применений. В частности, весьма актуальной является разработка лазеров с одномодовым режимом излучения, работающих на строго фиксированной длине волны; сверхминиатюрных лазеров с микроамперными пороговыми и рабочими токами, представляющих интерес для создания оптоэлектронных систем нового поколения, таких как системы параллельной передачи и обработки данных, миниатюрных атомных стандартов частоты.

Цель настоящей работы заключается в исследовании физических процессов, разработке конструкции и технологии изготовления полупроводниковых ЛВР на основе гетероструктур GaAs/AlGaAs с квантовыми ямами GaAs, AlGaAs, InAs, представляющих интерес для создания оптоэлектронных устройств нового поколения.

Для достижения поставленной цели в ходе работы решались следующие основные задачи:

1. 1. Проведение математического моделирования конфигурации электромагнитного поля в лазерных микрорезонаторах с использованием одномерной и трехмерной моделей. Исследование модового состава, параметров стабильности одномодового режима генерации. Разработка конструкции ЛВР на основе полученных результатов.

   2. Отработка базовых элементов технологии вертикально излучающих лазеров с селективно окисленными апертурами и различными вариантами используемых зеркал. Изготовление экспериментальных образцов ЛВР.

   3. Экспериментальное исследование и анализ модового состава ЛВР с GaAs КЯ.

   4. Реализация и исследование ЛВР с микроамперным пороговым током на базе гетероструктур с InGaAs КЯ.

   5. Изготовление и исследование характеристик одномодовых ЛВР для атомных стандартов частоты с длиной волны генерации 795 нм, соответствующей переходу 5Si/₂—>5Pi/₂

   атомов Rb. Научная новизна работы:

   1. 5. 1. Экспериментально исследована и интерпретирована тонкая структура линий излучения основной моды в ЛВР спектрального диапазона 850 нм с GaAs квантовыми ямами.

         2. Разработаны и исследованы ЛВР на основе одиночных In₀₂Ga₀,₈As КЯ с высокодобротными микрорезонаторами, обеспечивающими сверхнизкие пороговые и рабочие токи излучателей.

         3. Разработан и апробирован метод стабилизации поляризации лазерного излучения с использованием омического контакта асимметричной формы.

         4. Разработаны и исследованы одномодовые ЛВР на основе Al₀,₀₇Ga₀,₉₃As КЯ с перестраиваемой длиной волны вблизи 795 нм, пригодные для использования в миниатюрных атомных стандартах частоты работающих на переходах 5S_1/2—5P_1/2

         атомов Rb.

         Практическая значимость результатов заключается в следующем:

         Разработаны экспериментальные образцы ЛВР с различными вариантами активных областей и

         микрорезонаторов. Полученные решения могут быть использованы при создании ЛВР,

         характеристики которых отвечают требованиям конкретным применений, таких как локальные

         ВОЛС, атомные стандарты частоты.

         Основные научные положения, выносимые на защиту:

         Положение 1

         В ЛВР одновременная генерация близких по частоте фундаментальных мод с взаимно перпендикулярной поляризацией излучения, обусловлена встроенными электрическими полями на границах гетероструктуры, образующей ЛВР. Положение 2

         При разработке одномодовых ЛВР с прецизионной длиной волны генерации необходимо учитывать уменьшение длины волны генерации ЛВР при уменьшении размера оксидной апертуры ЛВР. Положение 3

         Микрорезонаторы на основе полупроводниковых и гибридных брэгговских зеркал GaAs/AlGaO с малыми оптическими потерями и высокой добротностью пригодны для создания сверхминиатюрных ЛВР с низкими пороговыми и рабочими токами на уровне десятков мкА.

         Положение 4

         Ассиметричная инжекция тока в брэгговский микрорезонатор ЛВР является эффективным способом стабилизации направления поляризации лазерного излучения.

         Достоверность и надежность представленных в диссертационной работе результатов обеспечиваются применением современных методов исследования, воспроизводимостью результатов, совпадением экспериментальных и расчетных результатов, а так же реализацией на их основе действующих макетов ЛВР.

         Личный вклад соискателя в диссертационную работу заключается в активном участии в постановке задач и определении способов их решения, проведении экспериментов, анализе и интерпретации полученных данных, проведении модельных расчетов. Автор участвовал в обсуждении полученных результатов, подготовке докладов и публикаций. Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на:

         1. Совещание: «Актуальные проблемы полупроводниковой фотоэлектроники», Новосибирск 2003, Россия;

         2. «VI Российская конференция по физике полупроводников», Санкт - Петербург 2003, Россия;

         3. «VI Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто - и наноэлектронике», Санкт - Петербург 2004, Россия;

         4. «6^th International Siberian Workshop and Tutorial EDM'2005», Эрлагол 2005, Россия;

         5. «2nd International Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers», Ялта 2005, Украина;

         6. «VII Российская конференция по физике полупроводников», Москва 2005, Россия;

         7. «7^th International Siberian Workshop and Tutorial EDM'2006», Эрлагол 2006, Россия;

         8. «8^th International Siberian Workshop and Tutorial EDM'2007», Эрлагол 2007, Россия;

         9. «10^th International Siberian Workshop and Tutorial EDM'2009», Эрлагол 2009, Россия;

         10. «IX Конференция по физике полупроводников», Новосибирск 2009, Россия;

         11. «Нанофизика и Наноэлектроника, XIV международный симпозиум», Нижний Новгород 2010, Россия;

         а также на научных семинарах лаборатории № 37 ИФП СО РАН.

         Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 17 печатных работах, в том числе 5 в научных статьях и 11 в материалах конференций, получен 1 патент РФ.

         Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Общий объем диссертации 148 страниц машинописного текста, в том числе 59 рисунков 4 таблиц и списока литературы из 72 наименований.

         Миниатюрный атомный стандарт частоты на основе ЛВР

         Точное определение временных и частотных интервалов является необходимым элементом электронных систем, применяемых в коммуникационных сетях, в устройствах обработки информации и в устройствах глобального позиционирования. В то время как электронные устройства становятся все более мобильными и увеличиваются скорости передачи данных, более строгие требования предъявляются к генератору опорной частоты, который синхронизирует распределенную сеть и обеспечивает стабильную работу этой сети. На протяжении более чем пятидесяти лет атомные часы [С55] обеспечивают наиболее точное определение временных и частотных интервалов. Наиболее точный эталон частоты, который может использоваться в портативных устройствах, основан на температурно-компенсированном кварцевом генераторе. Такие устройства потребляют несколько десятков милливатт энергии и имеют нестабильность частоты на уровне 10" , которая деградирует до уровня 10 7 в процессе использования прибора. Низкая долговременная стабильность таких приборов не позволяет их использовать в системе глобального позиционирования. В работе [С56] сообщается о создании миниатюрного атомного стандарта частоты. Применение в процессе изготовления данного прибора полупроводниковых элементов позволило сделать миниатюрный атомный стандарт частоты малых размеров и с малой потребляемой мощностью. Одним из основных элементов такого эталона частоты является миниатюрная ячейка, содержащая пары Cs, которая изготавливается с использованием анодной пайки [С57] из боросиликатного стекла. На ячейку с обеих сторон наносится пленка оксида индия и олова, которая является нагревателем, при пропускании тока через эту пленку температура ячейки увеличивается до 85С, что приводит к увеличению давления паров Cs в ячейке. Ток инжекции ЛВР, излучающего на оптической частоте со/., модулируется СВЧ-генератором на частоте f, в результате чего в спектре лазера возникают боковые частоты ((dL-f) и (coz,+/). Эти частоты индуцируют оптические переходы из двух сверхтонких подуровней основного состояния атомов в общее возбужденное состояние. При перестройке частоты генератора в сигнале поглощения возникает узкий интерференционный резонанс когерентного пленения населенностей (КПН). Длина волны генерации ЛВР, использованного в [С56], составляла 852 нм для возбуждения оптической линии поглощения D2 для перехода Si/2—»Рз/2 в атомах Cs. Частота модуляции тока ЛВР составляла 4,6 ГГц, такая частота модуляции тока ЛВР необходима для наблюдения КПН в атомах Cs [С58]. Данный миниатюрный атомный стандарт частоты продемонстрировал нестабильность частоты на уровне 2,43-10"10, которая может быть уменьшена в 10 раз при использовании оптической линии поглощения линии Di для перехода Si/2—»Рш в атомах Cs [С59]. Прибор потребляет 73 мВт электроэнергии, большая часть которой потребляется на прогрев всей конструкции. Подогрев всей конструкции и в частности ЛВР необходим для точной подстройки длины излучения ЛВР под рабочий переход D2 атомов Cs. Мощность ЛВР, необходимая для возбуждения резонанса КПН, составила 5 мВт. Для достижения максимальной стабильности такого атомного стандарта частоты КПН резонанс, должен иметь максимальную амплитуду и минимальную ширину. По имеющимся литературным данным, эти параметры зависят от выбора типа оптического перехода из основного S-состояния в возбужденное Р-состояние. В атомах щелочных металлов, в том числе Rb и Cs, используемых для атомных стандартов частоты, возбужденное Р-состояние расщеплено спин-орбитальным взаимодействием на два подуровня Р)/2 и Р3/2 с полным моментом J=l/2 и J=3/2, а основное S-состояние имеет только один уровень Si/2 с моментом J=l/2. Поэтому существуют две оптические линии поглощения: линия Di для перехода S\a—»Pm , и линия D2 для перехода Si/2- P3/2 Эти линии имеют заметно отличающиеся длины волн: 795 и 780 нм для Rb, 894 и 852 нм для Cs.

         Вопрос об оптимальном выборе оптической линии для атомных стандартов частоты на основе резонансов КПН специально исследовался в ряде экспериментальных и теоретических работ. Отличия в ширине и амплитуде резонансов КПН для Di и D2 линий поглощения связаны с различием структуры магнитных подуровней возбужденного Р-состояния, которая определяет эффективность формирования так называемых "темных" состояний для резонансов КПН. В работе [С72] было проведено сравнение параметров резонансов КПН для атомов Rb. Измерены зависимости отношения амплитуды резонанса КПН к его ширине от интенсивности лазерного излучения (для Di линии поглощения с длиной волны 795 нм, и для D2 линии поглощения с длиной волны 780 нм). Авторы данной работы продемонстрировали, что использование линии Di обеспечивает примерно в 10 раз более высокую эффективность резонансов КПН. В работе [С71] аналогичные измерения были выполнены для атомов Cs. Измерены зависимости отношения амплитуды резонанса КПН к его ширине от мощности лазерного излучения (для Di линии поглощения с длиной волны 894 нм, и для D2 линии поглощения с длиной волны 852 нм). В этом случае использование линии Di обеспечивает примерно в 4 раза более высокую эффективность резонансов КПН. Данные работы продемонстрировали предпочтительность использования Di линий поглощения в атомных стандартах частоты на основе резонансов КПН. Проведенный анализ показал, что наиболее целесообразным является создание лазеров на Di линии атомов Rb и Cs с длинами волн 795 и 894 нм. Представляется наиболее перспективным начать с разработки лазеров на длину волны 795 нм, поскольку атомы Rb имеют меньшее расщепление основного состояния (6,8 ГГц в 87Rb по сравнению с 9,2 ГГц в Cs) и требуют меньшей ширины полосы модуляции. Получение широкой полосы модуляции является сложной технологической задачей и требует проведения специальных исследований. Кроме того, длина волны 795 нм оптимальна с точки зрения более простой технологии выращивания лазеров с вертикальным резонатором. ЛВР с длиной волны 894 нм могут быть реализованы с использованием напряженных квантовых ям на основе InGaAs. В тоже время в ЛВР с длиной волны 795 нм могут использоваться квантовые ямы на основе AlGaAs, хорошо согласованные по параметру кристаллографической решетки с другими слоями лазерной структуры, что снижает дефектность структуры и делает ее более стабильной. Таким образом, разработка ЛВР, позволяющего производить точную подстройку длины волны лазерного излучения под один из резонансов атомов Rb или Cs, применяемых в миниатюрных атомных стандартах частоты представляет собой большой практический интерес. В диссертации разработаны ЛВР с длиной волны 795 нм, соответствующей резонансу атомов 87Rb.

         Методики измерения характеристик ЛВР и тестовых образцов

         Технология изготовления ЛВР рассматривается на примере изготовления ЛВР с длиной волны генерации 795 нм. Послойное описание исходной структуры ЛВР представлено в Приложении В. Для изготовления ЛВР с проводящими зеркалами использовался следующий технологический процесс, схематично изображенный на рис. 3.2.1. На поверхности полной ЛВР структуры (рис. 3.2.1 А) формируются меза-структуры диаметром DM И высотой h (рис. 3.2.1 Б). Для формирования мез на поверхность структуры наносится фоторезист, проводится стандартная фотолитография.

         После чего осуществляется травление мез в растворе H2SO4 : Н2О2 : НгО (1:8: 80) на нужную глубину h. В процессе работы были подобраны оптимальные лабораторные технологические режимы формирования лазерной меза-структуры. Было установлено, что для формирования лазерных мез с заданными параметрами по высоте может быть использован неселективный и изотропный травитель на основе раствора H2SO4 : Н2О2 : Н20 (1:8: 80).

         Диаметр мез DM варьируется в диапазоне от 31 мкм до 50 мкм с шагом 1 мкм. Для того чтобы были открыты окна для селективного окисления апертурных слоев, глубина травления (высота мез) h должна быть больше глубины залегания апертурного слоя Alo.98Gao.o2As. Глубина залегания апертурного слоя в полной ЛВР наноструктуре составляет 3,379 мкм. Для гарантированного вскрытия окон для селективного окисления глубина травления h составляла 5 мкм. На сформированных лазерных мезах осуществляется процесс селективного латерального окисления апертурных слоев Alo.98Gao.o2As (рис. 3.2.1 В). При этом формируются оксидные кольца AlGaOx, обозначенные на рис. 3.2.1 В черными полосками. Внутренний диаметр оксидного кольца определяет размер лазерной токовой и оптической апертуры Ал. Значение Ал определяется соотношением Ал = DM - 2- f , где f - ширина оксидного кольца или глубина окисления.

         Поскольку диаметр мез DM варьируется в широких пределах от 31 мкм до 50 мкм с шагом 1 мкм, то и размер лазерной апертуры Ал варьируется с шагом 1 мкм. Глубина окисления f подбирается так, чтобы для мезы определенного диаметра DM выполнялось соотношение DM = 2- f , В ЭТОМ случае меза окислена полностью и размер лазерной апертуры Ал=0. Для мез большего диаметра DM DM размер лазерной апертуры Ал будет возрастать на 1 мкм по мере увеличения диаметра мез. Это позволяет получить лазеры с размерами апертур 1 мкм, 2 мкм, 3 мкм, 4 мкм, 5 мкм и т.д. На окисленную мезу наносится диэлектрик (рис. 3.2.1 Г). В нанесенном диэлектрике на вершине мез вскрываются контактные окна (рис. 3.2.1 Г). На планарной стороне структуры формируются металлические контактные площадки (рис. 3.2.1 Д) к полупроводниковому зеркалу р-типа. Процесс изготовления ЛВР завершается формированием металлических контактных площадок к полупроводниковому зеркалу n-типа, металлизация проводится на непланарной стороне структуры (рис. 3.2.1 Е). Были подобраны оптимальные технологические режимы формирования контактных металлических слоев, для формирования омических контактных металлических слоев к полупроводнику р-типа могут быть использованы напыляемые последовательно слои Ті (20 нм) и Аи (100 нм), к Основные этапы изготовления ЛВР полупроводнику n-типа могут быть использованы слои Ge (20 нм), Аи (40 нм), Ni (20нм) и Аи(ЮОнм). Фотошаблоны, используемые при изготовлении ЛВР, содержат идентичные кластеры с размером 5x5 мм (рис.3.2.2). Каждый кластер разбит на ячейки с размером 1x1 мм. Кластер содержит пять рядов ячеек, первые четыре ряда содержат по пять ячеек, пятый ряд содержит четыре ячейки, на месте пятой ячейки размещаются фигуры совмещения. На площади каждой ячейки 1x1 мм формируется 4 ЛВР, таким образом, площадь, приходящаяся на один лазер (площадь чипа), составляет 0,5x0,5 мм. В пределах одного кластера находится 96 ЛВР. Диаметры лазерных мез DM задаются диаметром кружков на ФШ1, ФШ2. Диаметры кружков на фотошаблонах увеличиваются в каждом ряду (слева направо) с шагом 1 мкм, что позволяет получать лазерные мезы с диаметрами от 31 мкм до 50 мкм с шагом 1 мкм. Фотошаблоны ФШ1, ФШ2 используются для формирования фотомасок для травления лазерных мез. Набор фотошаблонов ФШЗ, ФІП4, ФШ5 применяется в процессах вскрытия контактных окон в диэлектриках на вершинах лазерных мез.

         Фотошаблон ФШ6 используется для проведения взрывной фотолитографии для формирования металлических контактных площадок и вскрытия апертурных окон ЛВР.

         Процесс селективного окисления апертурных слоев Alo,98Gao,o2As является нестандартным технологическим процессом. Детали физико-химических процессов при селективном окислении AlxGai-xAs описаны в [С2]. Технология селективного латерального окисления разрабатывается в последние годы и успешно применяется для создания ЛВР и ряда других приборов [С63,С64-С67]. При этом следует отметить, что стандартного оборудования для проведения данного процесса не выпускается.

         Процесс селективного окисления слоев AlxGai_xAs осуществляется в атмосфере паров воды при температурах 400 - 450 С [С2]. В качестве газа носителя используется азот. Газообразный азот и вода поступают в испаритель, прогретый до температуры 300 С, где образуется смесь азота и паров воды, далее смесь поступает в реактор. В реакторе находится окисляемый образец, прогретый до температуры 420 С. Прогрев реактора осуществляется нагревателем. Температура контролируется термометром и контроллером температуры. Контроллер температуры обеспечивает стабильность температуры с точностью до 1 С. Скорость подачи азота в процессе окисления составляет 1 л/мин и скорость подачи воды 0,6 мл/мин. Реактор и испаритель изготовлены из нержавеющей стали, полупроводниковая структура в процессе окисления находится на сапфировой подложке. Внешний вид установки селективного окисления представлен нарис. 3.2.4.

         Были отработаны лабораторные технологические режимы селективного окисления слоев AlGaAs с целью получения заданной токовой и оптической апертуры ЛВР. Режим селективного окисления проиллюстрирован на рис. 3.2.5. Перед началом процесса окисляемая структура располагается на сапфировом держателе и реактор герметизируется. Начало процесса момент времени tl, в этот момент включаются подача азота и прогрев испарителя, продувка азотом длится до момента времени t2. В момент времени t2 включается прогрев реактора. В момент времени t3 по достижении температуры реактора 170 С включается подача воды. В момент времени t4 температура достигает заданного значения 420 С. Процесс окисления длится в интервале времени toX = t5 -14. В момент времени t5 процесс окисления завершается, при этом отключается подача воды, отключается прогрев испарителя, отключается прогрев реактора. В момент времени t6

         Исследование генерационных характеристик ЛВР на основе GaAs квантовых ям

         Основные результаты изложенные в данной главе диссертации опубликованы в работах [A3 - А6, А15 - А17].

         Для расчета оптических характеристик разрабатываемого ЛВР использовались одномерная модель характеристических матриц [С69, С60] и трехмерная модель собственных мод CAMFR [С61]. На начальном этапе проектирования полной лазерной структуры производилось определение толщин полупроводниковых слоев входящих в лазерную структуру с учетом их показателя преломления на заданной длине волны. После чего был произведен расчет спектра отражения и распределения электромагнитного поля в пределах лазерного микрорезонатора при помощи одномерной модели с целью точного определения резонансной длины волны и точного позиционирования квантовых ям в пределах лазерного микрорезонатора.

         Послойное описание полной ЛВР структуры представлено в Приложении В. Схема лазера представлена на рис. 6.1.1а. Лазер представляет собой многослойную полупроводниковую структуру на основе твердого раствора AlxGai.xAs, содержащую в общей сложности 1156 слоев AlxGai_xAs различного состава. Два полупроводниковых брэгговских зеркала образуют резонатор лазера. Между брэгговскими зеркалами лазера расположены полупроводниковые слои суммарной толщиной Я, содержащие активную область лазера. Активная область ЛВР содержит три нелегированные Alo.07Gao.93As квантовые ямы толщиной 8 нм, которые размещены вблизи максимума стоячей электромагнитной волны лазерного микрорезонатора (рис. 6.1.16, рис.6.1.1 с). Инжекция носителей заряда в активную область осуществляться через верхнее выходное полупроводниковое зеркало / -типа легирования и нижнее зеркало и-типа легирования. В лазере используется АЮаОх оксидная апертура, которая формируется в процессе селективного окисления 49 нм слоя Alo,98Gao,o2As [С2, С4, С5]. Кольцо окисла AlGaOx располагается непосредственно над активной областью и обеспечивает эффективное токовое и оптическое ограничение в ЛВР [С2, С4, С5]. Размер апертуры А, задаваемый внутренним диаметром оксидного кольца, при проведении расчетов и в эксперименте, варьировался в интервале от 1 до 10 мкм с шагом 1 мкм. Период брэгговских зеркал состоит из А/4 слоев Alo,94Gao,o6As и Alo,23Gao,77As, на границах которых располагаются интерфейсные вставки, образованные тонкими 2 нм слоями AlxGai.xAs переменного состава. Интерфейсные вставки используются для снижения омического сопротивления брэгговских зеркал. Верхнее брэгговское зеркало содержит 28 периодов и нижнее зеркало 35.5 периодов, что задает высокий уровень коэффициентов отражения зеркал (99,79% и 99,93%, соответственно, согласно расчету с использованием одномерной модели с учетом поглощения на свободных носителях заряда). Это обеспечивает высокую добротность микрорезонатора, низкий уровень порогового усиления, низкий уровень пороговых и рабочих токов ЛВР. На рис. 6.1.1а приведен спектр отражения полной лазерной структуры, демонстрирующий резонансную длину волны лазера 795 нм. На рис. 6.1.2 представлены результаты расчета резонансной длины волны лазера для моды ТЕМоо в зависимости от диаметра оксидной апертуры А. С уменьшением размера оксидной апертуры сокращается латеральный размер моды, сокращение объема моды приводит к коротковолновому смещению резонансной длины волны лазера. Как видно из рисунка, для лазеров с малой оксидной апертурой эффект коротковолнового смещения является весьма значительным и составляет несколько нанометров, что необходимо учитывать при разработке ЛВР со строго заданной длиной волны 795 нм. На рис. 6.1.3 приведены результаты расчета порогового усиления для фундаментальной моды ТЕМоо (GthF) и первой поперечной моды TEMoi (Gthi) в зависимости от размера оксидной апертуры А.

         Создание ЛВР, перспективных для использования в миниатюрных атомных стандартах от частоты [С63,С64,С66,С67], работающих на переходах Di (5Si/2—»5Рш) атомов Rb, подразумевает выращивание полных ЛВР наноструктур с резонансной длиной волны 795 нм. Точность задания резонансной длиной волны должна составлять ± 1 нм. В этом случае возможна точная подстройка длины волны ЛВР под рабочий переход 5Si/2-»5Pi/2 атомов Rb, которая может осуществляться путем изменения температуры и за счет изменения уровня инжекции. Для достижения заданной точности ± 1нм требуется точность задания толщин слоев в процессе роста многослойной лазерной структуры на уровне (1/795) -100% = 0,125% .

         Исследование спектральных и генерационных характеристик лазеров с вертикальным резонатором на основе InGaAs квантовой ямы

         Основное требование, предъявляемое к ЛВР для миниатюрных атомных стандартов частоты, заключается в возможности точной подстройки длины волны лазерного излучения под резонанс 5Si/2-»5Pi/2 87Rb. Длина волны излучения ЛВР должна составлять -795 нм, при этом точная подстройка длины волны ЛВР под рабочий переход 5Si/2—»5Pi/2 атомов Rb осуществляется путем изменения внешней температуры и за счет изменения уровня инжекции. Лазер при этом должен работать в одномодовом режиме.

         Были исследованы температурные зависимости характеристик лазерного излучения в диапазоне температур 20 -г 80 С при различном уровне инжекции. Исследования проводились на ЛВР с апертурой А = 4 мкм, обеспечивающей одномодовый режим генерации ТЕМоо При проведении температурных исследований контролировалась длина волны лазерной генерации (определялась перестройка длины волны), а также анализировался модовый состав лазерного излучения (одномодовый или многомодовый).

         Влияние температуры на длину волны излучения ЛВР определяется двумя основными факторами. С повышением температуры возрастают значения показателей преломления полупроводниковых материалов, образующих микрорезонатор лазера. Рост температуры приводит также к расширению материалов, образующих лазерный микрорезонатор. Оба эти фактора приводят к увеличению резонансной длины волны брэгговского микрорезонатора. Таким образом, с ростом температуры происходит увеличение длины волны ЛВР [С72].

         В сравнении с полупроводниковыми полосковыми лазерами ЛВР демонстрирует значительно большую температурную стабильность. В полосковых лазерах перестройка длины волны определяется изменением ширины запрещенной зоны полупроводника с изменением температуры, что приводит к перестройке длины волны с коэффициентом dA7dT » 0,3 нм/градус. При этом перестройка с изменением температуры может сопровождаться скачкообразным изменением длины волны, что связано с перестройкой модового состава. В ЛВР, работающих на одной продольной моде, перестройка осуществляется плавно и температурный коэффициент перестройки значительно меньше сШсГГ » 0,05 - 0,06 нм/градус [С1-С4,С72]. На рис. 6.4.1 приведен набор спектров излучения ЛВР с апертурой А = 4 мкм, измеренных при температурах от 20 С до 80 С при токе накачки I = 0,5 мА. Зависимости длины волны фундаментальной моды от температуры при различных уровнях накачки приведены на рис. 6.4.2. На основе полученных экспериментальных данных было установлено, что в исследованном диапазоне температур (20 ч- 80 С) и токов накачки (0,5 4- 2,0 мА) лабораторные образцы ЛВР работают в одномодовом режиме. С ростом температуры происходит увеличение длины волны фундаментальной моды по линейному закону. Для всех уровней накачки (0,5 -=- 2,0 мА) температурный коэффициент изменения длины волны составляет dA,/dT = 0,058±0,004 нм/градус, что хорошо согласуется с имеющимися литературными данными [С1-С4,С72] и обеспечивает уровень перестройки длины волны 3 нм в исследованном диапазоне температур. 125

         Зависимости длины волны ТЕМоо моды при различных уровнях накачки и внешней температуры. 127 Выводы к главе 6 1. Проведено математическое моделирование конфигурации электромагнитного поля в лазерных микрорезонаторах с использованием одномерных и трехмерных моделей. На основе полученных данных разработана конструкция ЛВР с длиной волны от генерации 795 нм, отвечающей резонансу 5Si/2—»5Рш атомов Rb. 2. Отработаны базовые элементы технологии ЛВР, обеспечивающие задание генерационной длины волны с точностью выше 1%. 3. Показано, что асимметричная инжекция тока в лазерный микрорезонатор может являться эффективным способом стабилизации направления поляризации лазерного излучения. 4. Разработаны и реализованы ЛВР с активной областью на основе AlGaAs КЯ с длиной волны генерации 795 нм, пригодные для использования в миниатюрных атомных стандартах частоты на основе переходов 5Si/2—»-5Pi/2 атомов 87Rb. ЛВР с апертурой 4 мкм демонстрируют устойчивый одномодовый режим генерации, что находится в полном соответствии с теоретическими расчетами. Продемонстрирована максимальная выходная мощность одномодовой генерации в непрерывном режиме с фактором подавления поперечных мод 30 дБ на уровне 350 мкВт. Прецизионная подстройка частоты лазера под резонанс 5Sy2— 5Рш атомов Rb может осуществляться путем изменения температуры, экспериментально определенный температурный коэффициент составляет dA/dT= 0,059 нм/градус.

         Похожие диссертации на Генерационные характеристики лазеров с вертикальным резонатором на основе гетероструктур InGaAs-AlGaAs

         

         Микролазеры на основе гетероструктур с InGaAs квантовыми точками с резонаторами, сформированными селективным окислением слоев AlGaAsБлохин Сергей Анатольевич

         

         Полупроводниковые вертикально-излучающие лазеры на основе самоорганизующихся квантоворазмерных гетероструктур в системе материалов InGaAs-AlGaAsКузьменков Александр Георгиевич

         Исследование электрических и фотоэлектрических свойств фоточувствительных структур в системах GaAs-AlGaAs и InP-InGaAs со встроенным потенциальным барьеромАбдуллаев, Хаким Олимжанович

         Получение и оптимизация характеристик AlGaAs фотодиодов для датчиков ионизирующих излученийМиланова, Малина Михайловна

         

         Динамические, шумовые и спектральные характеристики лазеров на квантовых точкахКовш, Алексей Русланович

         Влияние возбужденных и волноводных энергетических состояний на характеристики лазеров с квантоворазмерной активной областьюЗубов, Федор Иванович

         

         Теория пороговых характеристик полупроводниковых лазеров на квантовых точкахАсрян Левон Володяевич

         

         Пороговые, спектральные и пространственные характеристики GaAs/AlGaAs лазеров с искривленными штрихами брегговской решетки обратной связи, обеспечивающей фокусировку выходного излученияДюделев Владислав Викторович

         Разработка, исследование свойств и оптимизация характеристик мощных InGaAsP/InP лазеровЛешко, Андрей Юрьевич

         Исследование излучательных характеристик мощных полупроводниковых лазеров, лазерных линеек и фазированных лазерных решетокТер-Мартиросян, Александр Леонович