Введение к работе
Актуальность темы. Объём информации, передаваемой между компьютерами в сети Интернет, а также в крупных дата-центрах, в период с 2009 по 2013 год увеличился практически в 20 раз и в настоящее время продолжает неуклонно расти. В связи с этим особую актуальность приобретает вопрос перехода к сетям, основанным на оптических линиях связи, позволяющих значительно увеличить скорость передачи данных, в том числе и на малые расстояния. В качестве источника излучения в таких сетях требуются компактные лазеры, излучающие в диапазоне длин волн 1.2 - 1.3 мкм, отвечающем окну прозрачности стандартного кремниевого оптоволокна. Благодаря использованию полупроводниковых квантовых точек (КТ) InAs/InGaAs в качестве активной области лазеров, удаётся создавать источники излучения, которые позволяют не только перекрыть требуемый диапазон длин волн, но также обладают низкими пороговыми токами, а также высокой температурной стабильностью. Всё это делает длинноволновые лазеры на основе КТ InAs/InGaAs, идеальными кандидатами для использования их в качестве источника излучения в системах оптической связи. Более того, применение таких лазерных диодов, обладающих широкими спектрами излучения, для многоканальной передачи данных представляет собой выгодную альтернативу используемым в настоящее время массивам одночастотных лазеров с распределённой обратной связью (РОС-лазеров) вследствие дешевизны и простоты их производства [1 - 2]. В связи с этим, в качестве объекта исследования были выбраны инжекционные лазеры полосковой конструкции с активной областью на основе КТ InAs/InGaAs, излучающие в широком спектральном диапазоне около длины волны 1.3 мкм.
В большинстве практически важных случаев требуется излучение высокой мощности в широком спектральном диапазоне вблизи 1.3 мкм, что отвечает излучению на основном оптическом переходе КТ. В то же время, с увеличением тока накачки в спектрах лазерной генерации появляется новая, более коротковолновая линия излучения, связанная с возбуждённым оптическим переходом КТ. Данное явление получило название двухуровневой (многоуровневой) генерации [3-5]. Более того, оказывается, что за порогом двухуровневой генерации имеет место ограничение мощности, излучаемой на основном оптическом переходе КТ, вплоть до полного её гашения [3, 4]. К моменту начала работы основные причины, а также механизм данного явления были изучены недостаточно [5].
Для широкого класса применений, начиная от оптической когерентной томографии и эстетической хирургии вплоть до накачки рамановских усилителей и оптической передачи данных, требуется возможность достижения широких спектров лазерной генерации [1 - 2]. Однако простейший способ, заключающийся в увеличении разброса КТ по размерам, оказывается не всегда реализуем технологически. Кроме того, это приводит снижению усиления в максимуме, что, в свою очередь, ухудшает пороговые характеристики лазера. До настоящего момента отсутствовала концепция увеличения ширины спектра лазерной генерации, основанная на одновременной вариации сразу нескольких параметров активной области лазера. Построению такой концепции способствовало бы аналитическое описание основных спектральных характеристик и их взаимосвязи с режимами работы и конструкцией активной области лазера на основе КТ. Также, с практической точки зрения играет важную роль исследование вопроса увеличения диапазона токов накачки, в котором имеет место одновременная генерация на основном и возбуждённом оптическом переходе КТ.
Цель и задачи работы. Основная цель настоящей работы состояла в экспериментальном и теоретическом исследовании ключевых спектральных характеристик лазеров на основе КТ InAs/InGaAs, излучающих как в режиме одноуровневой, так и многоуровневой генерации. Данное исследование также направлено на решение проблемы оптимизации характеристик лазеров, обладающих широкими спектрами излучения в режиме одноуровневой генерации, а также на рассмотрение вопроса перехода в режим двухуровневой генерации при высоких плотностях тока накачки.
Для достижения поставленной цели в диссертации решались следующие задачи:
-
Анализ экспериментальных данных по исследованию основных спектральных характеристик КТ-лазеров различной конструкции в одно- и многоуровневом режимах работы.
-
Разработка теоретической модели, позволяющей в аналитическом виде описать форму и ширину спектров генерации лазеров, излучающих через основной оптический переход КТ, а также выявление ключевых параметров, влияющих на их спектры излучения.
-
Нахождение оптимальной конструкции КТ-лазера, которая позволила бы достичь наибольшей ширины спектра генерации при минимальном или заранее заданном токе накачки.
-
Анализ экспериментального исследования особенностей двухуровневой генерации, включая подавление генерации на основном оптическом переходе, температурную зависимость порогового тока двухуровневой генерации и тока полного гашения излучения на основном оптическом переходе КТ.
-
Построение теоретической модели, которая позволила бы описать гашение излучения на основном оптическом переходе КТ, температурную зависимость пороговых токов и другие особенности двухуровневой генерации.
-
Построение операционной диаграммы КТ-лазера, отображающей возможные режимы его работы.
-
Экспериментальное и теоретическое исследование влияния модулированного р-легирования активной области КТ-лазера на особенности режима двухуровневой генерации.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней:
-
Впервые получены аналитические выражения, позволяющие описать форму и ширину спектра лазерной генерации через основной оптический переход КТ, в том числе в лазерных структурах на основе многослойных массивов КТ, а также в структурах с преднамеренно внесённой неупорядоченностью КТ.
-
Предложен новый механизм, описывающий гашение лазерного излучения на основном оптическом переходе КТ за порогом двухуровневой генерации. Данный механизм основан на предположении о различии в темпах захвата дырок и электронов в КТ. Показано, что ключевым параметром является отношение темпов захвата дырок и электронов в КТ.
-
Построена операционная диаграмма лазера на основе КТ, отображающая возможные режимы работы лазера. Выражения для границ, разделяющих режимы генерации на операционной диаграмме лазера, а также ватт-амперные характеристики лазера во всех возможных режимах его работы получены в аналитическом виде.
-
Показано, что уменьшение тока начала двухуровневой генерации, а также тока гашения генерации на возбуждённом оптическом переходе, имеющее место при увеличении температуры лазера, связано с уменьшением заселённости основного электронного уровня энергии вследствие увеличения скорости тепловых переходов между уровнями энергии КТ.
Практическая значимость работы заключается в том, что полученные в ней результаты могут быть использованы для оптимизации характеристик инжекционных лазеров на основе квантовых точек с целью их дальнейшего использования в системах оптической связи. В диссертационной работе:
-
Предложены и реализованы практические методы оптимизации лазеров на основе КТ для достижения наименьшего рабочего тока при заданной ширине спектра генерации лазера и/или достижения наибольшей ширины спектра лазерной генерации при фиксированной мощности излучения. Определены критерии выбора числа рядов квантовых точек, уровня оптических потерь, дисперсии распределения КТ по энергии. Показано, что в лазерных структурах с квантовыми точками существует оптимальное число квантовых точек в активной области, которое позволяет достичь заданной ширины спектра генерации лазера при минимальном токе накачки. Оптимальное число квантовых точек может быть достигнуто как за счёт изменения числа рядов квантовых точек, так и за счёт изменения геометрических размеров активной области.
-
Разработан метод оптимизации конструкции КТ-лазера, в том числе за счёт использования многослойных массивов КТ с преднамеренной разупорядоченностью, для достижения наименьшего рабочего тока при заданной ширине спектра генерации.
-
Реализован метод подавления двухуровневой генерации с помощью модулированного легирования примесью р-типа. Продемонстрировано увеличение мощности на основном оптическом переходе в 1.5 раза и увеличение предельной температуры генерации на основном переходе на 50С по сравнению с нелегированной структурой.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
В лазерных структурах с квантовыми точками существует оптимальное значение дисперсии, которое позволяет при фиксированной мощности излучения лазера достичь наибольшей ширины спектра лазерной генерации.
-
Использование многослойных лазерных структур с квантовыми точками и преднамеренно внесённой разупорядоченностью позволяет добиться увеличения ширины спектра лазерной генерации при неизменной мощности излучения лазера.
-
В лазерных структурах с квантовыми точками величина отношения темпов захвата дырок и электронов в квантовые точки определяет поведение лазера в режиме двухуровневой генерации.
-
Увеличение температуры работы лазера на основе квантовых точек приводит к уменьшению порогового тока двухуровневой генерации и тока, отвечающего полному гашению генерации на основном оптическом переходе, вследствие роста темпа выброса электронов с основного уровня энергии на возбуждённый
уровень, а также снижения темпа захвата электронов с возбуждённого уровня энергии на основной.
5. Модулированное легирование квантовых точек акцепторной примесью, по сравнению с нелегированной активной областью, приводит к увеличению максимальной мощности лазерного излучения на основном оптическом переходе и увеличению диапазона токов накачки, в котором имеет место двухуровневая генерация, а также к росту предельной температуры существования генерации на основном оптическом переходе.
Апробация. Основные результаты диссертации были доложены и обсуждались на различных Всероссийских и международных конференциях и симпозиумах: Российских конференциях по физике и астрономии "ФизикА.СПб (Санкт-Петербург, 2010, 2011, 2012 гг.); 3-ем симпозиуме по когерентному оптическому излучению полупроводниковых структур (Звенигород, 2011 г.); Итоговых конференциях фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (Санкт-Петербург, 2011, 2012 гг.); 13-ой и 14-ой Всероссийской молодёжной конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург,
-
г., 2012 г.); 3-ем Всероссийском симпозиуме "Полупроводниковые лазеры: Физика и Технология" (Санкт-Петербург, 2012 г.); Симпозиумах Международного общества оптики и фотоники (SPIE) SPIE Photonics Europe
-
(Брюссель, Бельгия, 2012 г.), SPIE Photonics Asia 2012 (Пекин, Китай, 2012 г.), SPIE Optics & Optoelectronics (Прага, Чешская республика, 2013 г.); 15-ой Международной конференции "Laser Optics" (Санкт-Петербург, 2012 г.); 20-ом и 21-ом Международных симпозиумах "Nanostructures: Physics and Technology" (Нижний Новгород, 2012 г., Санкт-Петербург, 2013 г.).
Исследования, проведённые в рамках диссертационной работы, отмечены дипломами Российской конференции по физике и астрономии "ФизикА" 2011 и 2012 годов за научные результаты, обладающие существенной новизной и среднесрочной перспективой их эффективной коммерциализации; дипломом победителя программы "У.М.Н.И.К." фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере за 2012 год; дипломом 1-ой степени за лучший аспирантский доклад 13-ой, а также дипломом 14-ой Всероссийской молодёжной конференции по физике полупроводников, полупроводниковой опто- и наноэлектронике; грантом правительства Санкт-Петербурга для студентов, аспирантов и молодых учёных за 2012 год; молодёжным исследовательским грантом РФФИ на 2012 - 2013 года; стипендией президента
Российской Федерации за 2013 год, стипендией международного общества оптики и фотоники (SPIE) на 2013 год, а также премией за лучший доклад 21-ого симпозиума "НАНОСТРУКТУРЫ: Физика и Технология".
Публикации. Основные результаты, полученные в диссертации, опубликованы в 23 печатных работах, в том числе в 9 научных статьях, а также 14 материалах конференций и симпозиумов.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, а также списка цитируемой литературы из 81 наименований. Объём работы составляет 118 страниц, включая 1 таблицу и 35 рисунков.
