Исследование гетероструктур в системе In-Ga-As-P и разработка на их основе перестраиваемого одномодового гетеролазера и мощного суперлюминесцентного диода : = 1.3-1.55 мкм Пихтин, Никита Александрович

Введение к работе

Актуальность темы.

В последшіе годы полупроводниковые гетеролазеры находят все большее применение в различных областях науки и техники. Инжекщюнные гетеролазеры на основе твердых растворов InGaAsP/InP, излучающие в диапазоне длин волн 1300-1550 им, являются оптимальными источниками излучетія для волокогаю-оптнческнх линии связи (ВОЛС). Квантоворазмерная двойная гетероструктура раздельного ограшічеїшя (КР РО ДГС) InGaAsP/InP позволяет получать надежные высокоэффектившле лазерные диоды, обладающие низким пороговым током, высокой внутренней и внешней квантовой эффективностью и высокой выходной оптической мощностью. Однако для применений в лазерной спектроскогаш, волоконно-оптических гироскопах, оптических системах со спектралывзШ уплотнением необходимы диоды со специфическими выходными характеристиками, такими, как широкий спектр нзлучсшія, возможность перестройки длины волны. Это требует внесения изменении в конструкцию лазерного диода и оптимизацию параметров гетероструктуры для конкретного типа приборов. Несмотря на огромное число работ, посвящеїшьіх исследовашпо и оптимизации параметров КР РО ДГС InGaAsP/InP гетеролазеров, некоторые особенности электрических и оптических свойств гетероструктур в системе In-Ga-As-P твердых растворов остаются до настоящего времени недостаточно изучешгыми.

В этой связи тема работы, направленная на изучение особенностей электрических и оптических свойств квантоворазмерных гетероструктур в системе In-Ga-As-P твердых растворов с целью создания на их основе мощного широкополосного суперлюминесцентного диода и перестраіпзаемого одномодового Фабри-Перо гетеролазера (Я. = 1.3 - 1.55 мкм), является актуальной как : научной, так и с практической точек зреїшя.

Основная цель работы заключалась в исследовании особенностей электрических и оптических свойств гетероструктур раздельного ограіпічешія с тонкими активными областями на основе твердых растворов In-Ga-As-P, создашш на их основе перестраиваемого одномодового Фабри-Перо гетеролазера двухсекциошюй конструкщш и мощного шіфокополосного суперлюмшісецентного диода (X = 1.3 - 1.55 мкм).

Для выполнения поставлешіой цели решались следующие основные задачи:

1. Экспериментальное и теоретическое исследование электрических и оптических свойств двойных гетероструктур раздельного ограшічеіпія с тонкими активными областями на основе твердых растворов In-Ga-As-P при высоких уровнях накачки.

2. Разработка технологии и изготовлеіше двухсекционного мезаполоскового одномодового Фабри-Перо гетеролазера на основе InGaAsP/InP (X - 1.3 - 1.55 мкм) двойной гетероструктуры раздельного ограничения.

3. Исследование излучательных характеристик перестраиваемого одномодового InGaAsP/InP (X = 1.55 мкм) гетеролазера созданного на базе двухсекциошюй мезаполосковой конструкщш.

4. Проведение исследований по оптимизации параметрої двухсекционного мезаполоскового InGaAsP/InP лазерного диод* для получения мощного шіфокополосного суперлюминесцентног< излучения (X = 1.3 - 1.55 мкм). Исследовашіе излучательны? характеристик полученных суперлюмішесцентньїх диодов.

Научная новизна работы определяется тем, что в ней:

5. Проведены комплексные исследования особенностей ватт амперных и спектральных характеристик лазерных диодов ні основе квантоворазмерных двойных гетероструктур раздельной ограничения InGaAsP/InP при высоких уровнях злектрическоі накачки (до 60 кА/см²).

6. Детально исследованы причины аномального падени дифференциальной квантовой эффективности при уменьшешо длины резонатора лазерного диода и сублинейности ватт

амперных характеристик при больших плотностях тока.

3. Предложен метод измерешія профиля усиления в гетероструктуре с использованием двухсекционной конструкции лазерного диода.

4. Теоретически определен возможный диапазон перестройки длины волны излучения в двухсекционном Фабри-Перо гетеролазере с использованием предложенного метода измерения и расчета профиля усиления и экспериментально показана электрическая перестройка длины волны в двухсекционной мезаполосковой конструкции Фабри-Перо лазерного диода.

5. Определены параметры гетероструктуры на основе InGaAsP/InP твердых растворов, используемой для получения мощного высокоэффективного широкополосного суперлюминесцентного излучения (Я. = 1.3 - 1.55 мкм).

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Установлено, что лазерные диоды на основе гетероструктур в системе четверных твердых растворов In-Ga-As-P, выращенных модифицированным методом жндкофазной эпитаксии, обладают аномально широкими спектрами генерации и спонтанного излучения. Сделан вывод о возможности использования таких структур в широкополосных источниках излучения и для перестройки длины волны излучения в широком спектральном диапазоне.

2. Разработана двухсекционная конструкция мезаполоскового одномодового Фабри-Перо гетеролазера на основе InGaAsP/InP (X = 1.3 - 1.55 мкм) двойной гетероструктуры раздельного ограничения.

3. Реализована электрическая перестройка длины волны в двухсекционном мезаполосковом одномодовом Фабри-Перо гетеролазере в широком спектральном диапазоне.

4. Разработана конструкция суперлюминесцентного диода на базе мезаполоскового одномодового InGaAsP/InP (к = 1.3 - 1.55 мкм) лазерного диода.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

5. Микрофлуктуации состава твердых растворов InGaAsP, выращенных модифицированным методом жидкофазной эпитаксии, приводят к аномально широким спектрам спонтанного излучения и генерации в квантоворазмершлх InGaAsP/InP лазерах раздельного ограничения.

6. Падение дифференциальной квантовой эффективности в InGaAsP/InP лазерах раздельного ограничения при больших уровнях накачки связано с возрастанием концентрации неравновесных носителей в волноводе и утечкой носителей в р-эмиттер.

7. В двухсекционном мезаполосковом одномодовом Фабри-Перо гетеролазере, созданном на базе InGaAsP/InP двойной гетероструктуры раздельного ограничения с тонкой активной областью и аномально широким спектром усиления, возможна электрическая перестройка длины волны излучения путем изменения соотношения величин токов накачки секций.

8. Использование InGaAsP лазерной гетероструктуры с аномально широким спектром усиления в лазерном диоде с наклонным мезаполоском и поглощающей секцией позволяет получать мощное широкополосное суперлюминесцентное излучение.

9. Использование напряженной InGaAsP/InGaAs/InP гетероструктуры раздельного ограничения с несколькими квантовыми ямами и высоким коэффициентом оптического ограничеїшя волновода позволяет увеличить мощность и эффективность суперлюминесцеїггаьіх диодов.

Приоритет результатов

Представленные в диссертации результаты исследования перестройки длины волны излучения в двухсекционной конструкции Фабри-Перо гетеролазера на основе InGaAsP/InP гетероструктуры с широким профилем усиления получены впервые. Достигнутые выходные оптические характеристики (величина мощности и полуширина спектра суперлюминесцентного излучения) суперлюшшесценгного диода в разработашюй конструкции на основе InGaAsP/InP

гетероструктур (Я. = 1.55 мкм) являются рекордными значениями в мире на настоящий момент.

Апробация работы.

Основные результаты диссертациошюй работы докладывались на I^st International Fiber-Optic and Telecommunication Conference (ISFOC '91), 1991, Leningrad, USSR, на 2^ой Международной конференции "Nanostructures: physics and technology" (С-Петербург, июнь 1996), на 2-ой Всероссийской 'конференции по физике полупроводников, 26.02-6.03.1996, г.Зеленогорск, С.Петербург и 5^ой Международной конференции "Nanostructures: physics and technology" (С.-Петербург, июнь 1999), а также на научных семинарах лабораторгаї "Полупроводниковой лгоминесцешпш и шіжекциогаїьіх излучателей" ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН.

Публикации

По результатам исследований опубликовано всего 39 научных работ, из них 10 непосредственно по теме диссертациошюй работы. Список этих работ приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка щітированной литературы. Общий объем диссертации составляет 133 страницы, в том числе 83 страницы основного текста, 38 рисунков на 38 страницах и 2 таблицы. Список цитированной литературы включает в себя 80 наименовании.