Однодомовые инжекционные лазеры и интегральные оптоэлектронные структуры на их основе Гуревич, Сергей Александрович

Введение к работе

Актуальность проблеми. Инкекционные лазеры являются, несомненно, одним из наиболее ярких достижений физики полупроводников. Хотя со времени их создания в 1952 году проило ^яе почти 30 лет, интерес к разработке новых структур таких лізе-ров и исследованию необычайно богатой совокупности физ ульотах явлений, определяющих их работу, не ослабевает. Ключаяугс \,оль п достижении современного уровня р. этой области физики полупроводников сыграло создание в 1X8 году в 4ТИ им.А.б.йоф^е янжек-ционных лазеров на гетсроструктурах[і^к]. В дальнейшем, использование принципов распределенной обратной связи и дифраз^ционно-го вывода излучения[2",3^XJ, замечательных свойств гетерострук-тур с квантовораэмерными активными слоями, широкого набора полупроводниковых материалов (главным образом AS ) для изготовления гетероструктур позволило настолько улучшить параметры инфекционных лазеров, что они стали активно вытеснять вся другие типы лазеров из многих областей их применения.

В ближайшее'время существенное увеличение объема использования инжекционных лазеров мояет произойти з сплои с созданием интегральных оптоолектронних структур, в которых инкекцизнкио лазеры интегрированы о пассивными или управляемыми оптическими элементами (зеркалами, модуляторами и т.д.), а та:с«е с управляющими электронными компонентами - транзисторами. Использование интегральных оптоэлектронних схем в вычислительноП технике позволяет заменить электрические каналы связи между отдельными кристаллами и,возможно, внутри кристалла, на оптические. Необходимость такой замены возрастает с увеличением количества элементов электронной части схемы и с увеличением частот, на которых она работает. Интегральные матрицу инфекционных лазеров являются важным елементом разрабатываемых в настоящие время систем оптической обработки информации (в маетности, сверхвыес-копроизподительной onvftveexoft ЭЕМ с параллелььой сбра^отдоіО. Наконец, интеграция инфекционного лазера с другими оптическими волноводннми элементами позволяет создазать интегральные епти-

еские устройства, которые могут чрезвычайно эффективно работать в системах связи и в измерительной технике.

Одна кз актуальных проблем, решенных в процессе выполнения данной диссертационной работы, состояла в создании таких структур ин-кокционньх лазеров, которые могли бы быть интегрированы с оптическими и электронными элементами. Соответственно, исследовались два варианта ишекционных лазеров с интегральными резонаторами - лазеры с распределенным брэгговским зеркалом на основе гофрированного пленочного волновода (непосредственно интегрируемые с оптическими волноводными элементами) и меза-лааеры, в которых зеркалами резонатора Оабри-Перо служат боковые стенки меоа-структуры (оти лазеры интегрировались с управляющими транзисторами),.. Исследования лазеров с брэгговскимл зеркалами, выполненные в настоящей работе, являются продолжением более ранних работ ( [4^Ж-6^Я} и др.),в которых автор пркии-і.:ал активное участие. Отметим, что попытки создания инжекциок-ыых мега-лазеров предпринимались давно, но были безуспешными, поскольку не было найдено способа получения зеркал резонатора достаточно высокого качества. Эта задача была решена нами в 1982 году с помочью оригинальной технологии микроскалывания[1].

В интегральных олтоэлектронных структурах к инжекционным лазерам неизбежно предъявляются восьма жесткие требования, а именно: низкий пороговый ток, достаточно широкия полоса частот при модуляции излучения током накачки, одномодовый режим генерации. Хотя для инфекционных лазеров эти проблемы всегда стояли но повестке дня и до появления интегральных оптоэлектронных структур, можно утверждать, что они стали особенно актуальными в сгяаи с появлением последних. В настоящей диссертационной работе для решения этих задач были проведены комплексные исследования процессов генерации света в волноводных структурах с распределенным отражением, исследованы особенности оптического усиления в гетероструктурах с квантоворазмерными слоями, изучено влияние этих особенностей на пороговые и динамические характеристики ипкохшонных лазеров. Результаты этих исследо-*кн;;;: имеют достаточно общий характер и, по-видимому, могут

представлять интерес для физики полупроводников и квантовой электроники. Таким образом, данная работа является актуальной как с научной, так и с практической точки зрение.

Цель и задачи работы. Основная цель работы заключалась в исследовании физических механизмов генерации когерентного света в одномодовых инжекционных лазерах, создании нових структур таких лазеров и разработке интегральных оптоолектронннх элементов на их основе.

В процессе выполнения работы решились следующие задачи: ~ разработка методов создания инжекционных лазеров с резонаторами интегрального типа;

определение условий согласования различных пленочных оптических волноводов на общей подложке;

изучение процессов взаимодействия и распределенного отражения волноводных мод в гофрированных пленочных волноводах, которые могут служить объективными брэгговскими зеркалами, обеспечивающими одномодовыи режим генерации инкэкцнонши гетероле-эеров;

изучение условий генерации в инжекционных лазерах на основе гетероструктур с квантоворазмерннм активным слоем и оптимизация параметров этих структур для получения низких пороговых токоя и, одновременно, максимально широкой ,;олосн частот модуляции излучения током накачки;

создание быстродействующи* интегральных оптоплсктронных Структур с инжекционшвд лазерами и управляющими полеьнми транзисторами.

Научная новизна и практическая значимость. В работе проведены теоретические и оксперименталыше исследования процессов генерации в инфекционных лазерах с распределенным отражением света в брэгговских зеркалах. Показано, что амплитуда и фаза отражения волноводного брэгговского зеркала существенно зависят от начальной фазы гофрировки. Вперпне экснергмен* тплыю обнаружено, что о'рэгговское зеркало ютет пффектнпно осуществлять селении» не только продольных, но ij поперечных мод в инкекцножом ляягре. Это полапля^т почумать режим чдно-

_ б -

модобой генерации. Показана возможность определения параметра связи собственных мод гофрированного оптического волновода из измерения ширин полос брэгговского отражения, которые НЄЛО-

средстозшю наблюдались в спектрах излучения, прошедшего через гофрированный волновод. Изучен вопрос о стыковке многомодовых илексинта оптических волноводов, находящихся на общей подложке. Показано, что толщины волноводных слоев могут быть выбраны та;<, чтобы одна из мод первого волновода резонансно возбуждала только одну из мод второго волновода, при этом дифракционные потери света на стыке будут незначительными.

В результате отих" исследований впервые созданы инжекцион-т;е лазеры на основе гетероструктур AlCaAs/CaAs с брэгговским зеркалом в виде гофрированного волновода из диэлектрических пленок, характеризующихся высокой степенью однородности оптических параметров и очень малыми потерями. Такие лазеры работают при комнатной температуре в однокодовом реяиме генерации, имеют рекордно большую величину внешней дифференциальной

. квинтовой эффективности излучения (32) и чрезвычайно высокую температурную стабильность линии генерации (0,01 А/К).

Измерения спектров оптического усиления в гетерострукту-pax AlCaAs/CaAs с квантоворазмерньш узкозонным слоем показали, что при температуре около 300 К особенности этих спектров, обусловленные размерным квантованием носителей, сильно сглакены. Сопоставление формы экспериментальных спектров с расчетными позволило оценить верхний предел для эффективного Времени внутризонной релаксации носителей по энергии ^^(6^-8)-10^- с. На основе квантоворазмерных гетероструктур AlCaAs/CaAs были созданы полосковив инфекционные лазеры, пороговый ток которых составляет единицы миллиампер (ЗСО К), а граничная частота полосы модуляции превышает 10 ГГц. Впервые экспериментально обнаружена взаимосвязь мевду динамическими

.характеристиками таких лазеров и особенностями спектров усиления, обусловленными размерным квантованием. ,' На основании этих исследований совдан ряд норнх структур инфекционных лазеров с существенно улучшенными параметрами, а т-акяо разработаны элементы интегральных оптоэлектронных схем

на их основе, что представляет значительный интерес для прак
тических применений. Ряд результатов работы передан на пред
приятия МЭИ СССР. ;

На защиту выносятся следующие гголокения:

1. На границе раздела двух различных пленочных оптических волноводов (находящихся на-обідей подложке) поле собственной локализованной моды первого волновода может эффективно возбуждать только одну из локализованных мод второго волновода, при зтом дифракционные потери света на границе будут малы.

2. Гофрированные оптические волноводы, изготовленные из прозрачных и однородных пленок иирокозоннмх диэлектриков могут служить эффективными брэггОвскими зеркалами, осуществляющими селекцию как продольных, так и поперечных мод в инжекционных гетеролазерах при условии, что диэлектрический волновод согласован с волноводом инжекдионного лазера.

3. Амплитудные и фазовые характеристики отражения полубесконечного брэгговского зеркала в значительной мере определяются начальной фазой гофрировки, отсчитываемой от его границы.

4. В спектрах излучения, прошедшего через гофрированный пленочный волновод можно наблюдать полосы распределенного отражения, что позволяет экспериментально определять величину параметра связи различных мод волновода и оптимизировать его структуру для получения максимального коэффициента отражения брэгговского зеркала.

5. Температурная стабильность спектрального положения линии генерации инжекционного лазера может быть существенно улучшена за счет использования брэгговских зеркал. Для отого материал брэгговского зеркала необходимо выбрать так, чтобы температурный коэффициент его показателя преломления был значительно меньше, чем у полупроводникового материала в усиливающей области лазера.

Є. В гетероструктурах AlCaAs/CaAs с квантовораэмерннм узкозонным слоем CaAs при температурах, близккх к комнатной, вид спектров оптического усиления и характер зависимости величины максимального усиления от концентрации неряЕИОоеснчх носителе*»

.. 8 _

определяются толщиной уэкоэонного слоя, а токке уширением уровней, связанным с конечной величиной времени внутризонной релаксации носителей по энергии.

7. Если толщина квантовораомерногс уэкозонного слоя в ге-
тероструктурах AlCaAs/CaAs с раздельным электронным и оптиче-

ским ограничением не слишком нала (150+200 А), то минимальные пороговые токи полосковьк инжекшонньк лаг-еров на основе этих гетероструктур достигаются (300 К) при предельно малых длинах резонатора.

8. Динамические характеристики инфекционных гетеролазеров
с квантоворазмерным активным слоем существенно определяются
конкуренцией оптических переходов с участием различных уровней
размерного квантования. При не слишком малой толщине активного
слоя (150+200 Л) максимальная ширина полосы модуляции излуче
ния током накачки достигается при предельно малой длине резо
натора.

Доклады и публикации. Материалы диссертации докладывались на Ш и ІУ Всесоюзных конференциях по физическим процессам в полупроводниковых гетероотруктурах (Одесса, 1982г., Минск, 1986г^; на I Всесоюзной конференции по физическим основам твердотельной электроники (Ленинград, І9ь9г.); на У Международной школе по когерентной оптике (Йена, 1984г.); на Ш Советско-американском симпозиуме по лазерной оптике конденсированных сред (Ленинград, 1987г.); на X и XI Международных конференциях по полупроводниковым лазерам (Каназава, 1986г., Бостон, 1988г.); на Международном семинаре по полупроводниковым лазерам (Пловдив, 1969г.), а также на ряде совещаний и семинаров. Результаты, включенные в данную диссертационную работу, опубликованы в 25 статьях.