Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА І Пассивная модуляция добротности диодных лазеров с имплантационным насыщающимся поглотителем . 22
1.1 Введение. 22
1.2 Локальные уравнения для описания пассивной модуляции добротности инжекционных лазеров. 26
1.3 Излучение одиночных импульсов инжекционными лазерами с насыщающимся поглотителем и без него . 31
1.4 "Жесткое" включение лазеров с имплантированным насыщающимся поглотителем. 41
1.5 Мощные пикосекундные лазеры с насыщающимся поглотителем на основе ОГС. 50
1.6 Эффект сверхинжекции и утекающая мода в мощных пикосекундных лазерах с насыщающимся поглотителем . 55
1.7 Синхронизация мод в одиночных пикосекундных импульсах света. 52
ГЛАВА II Диодные лазеры с имплантированным через защитную маску насыщающимся поглотителем. 69
ИЛ Введение. 69
11.2 Изготовление масок для создания насыщающегося поглотителя произвольной формы. 71
11.3 Модуляция добротности QW лазеров с имплантированным через маску насыщающимся поглотителем. 79
11.4 Характеристика "энергия излучения - амплитуда накачки" лазеров с имплантированным через маску насыщающимся поглотителем. 89
5 Увеличение мощности пикосекундных ДГС лазеров с распределенным насыщающимся поглотителем. 100
ГЛАВА III Пассивная синхронизация мод монолитных инжекционных лазеров на ingaas квантовых точках
III. 1 Введение. НО
III.2 Теоретические модели синхронизации мод монолитных полупроводниковых инжекционных лазеров. 122
Ш.З Ватт-амперные характеристики двухсекционных лазеров на квантовых точках. Оптическая бистабильность . \ 34
III.4 Пассивная синхронизация мод двухсекционных лазеров на квантовых точках. 150
III. 5 Синхронизация мод на сталкивающихся импульсах в лазерах на квантовых точках. \ gg
Ш.6 Применение имплантационного поглотителя для синхронизации мод лазеров на квантовых точках. 170
Заключение. 178
Список литературы.
- Излучение одиночных импульсов инжекционными лазерами с насыщающимся поглотителем и без него
- Эффект сверхинжекции и утекающая мода в мощных пикосекундных лазерах с насыщающимся поглотителем
- Модуляция добротности QW лазеров с имплантированным через маску насыщающимся поглотителем.
- Ватт-амперные характеристики двухсекционных лазеров на квантовых точках. Оптическая бистабильность
Введение к работе
Общая характеристика работы
Работа направлена на изучение динамики излучения полупроводниковых инжекционных лазеров и разработку конструкций, оптимизированных для генерации импульсов света, с малой длительностью и повышенной мощностью. Такие приборы могут быть применены в различных областях, например, для измерения характеристик быстрых фотодетекторов (фотодиоды, ФЭУ, стрик-камеры), определения расстояний (лидары, рефлектометры, томографы), оптоэлектронной генерации электромагнитных волн в миллиметровом диапазоне, в качестве тактового сигнала в оптоволоконных системах связи, для оптической синхронизации элементов компьютеров и других высокочастотных устройств.
Прямые способы генерации импульсов света полупроводниковыми инжекционными лазерами, такие как модуляция усиления, активная модуляция добротности, применение внешних оптических модуляторов используют лишь незначительную часть той полосы частот, которую способны обеспечить полупроводниковые материалы. Это связано с продолжительностью релаксационных процессов в самом лазере, недостаточным быстродействием современных электронных приборов, а также ограничениями, возникающими при передаче электрического сигнала. Отсюда возникает интерес к специальным конструкциям лазеров, импульсный характер излучения которых не связан непосредственно с внешним управлением.
В работе изучаются полупроводниковые лазеры с насыщающимся поглотителем, нелинейные свойства которого используются для генерации мощных пикосекундных импульсов света за счет пассивной модуляции потерь в лазерном резонаторе, периодических пикосекундных или субпикундных импульсов, если имеет место пассивная синхронизация мод. При этом
рассматриваются наиболее интересные с практической точки зрения монолитные конструкции лазеров (Рис. 1),
Принцип действия этих таких лазеров основан на эффекте насыщения поглощения (усиления) светом, который для полупроводниковых материалов также называют динамическим эффектом Моса-Бурнштейна (Рис. 2). Важнейшими факторами, определяющими динамику излучения лазера, являются энергия насыщения и время релаксации (Рис. 3) в каждой из секций. Как для пассивной синхронизации мод, так и для модуляции добротности, необходима низкая энергия насыщения в секции поглотителя по сравнению с усиливающей секцией: иЛ «Ua . Сублинейная зависимость коэффициента
усиления от концентрации носителей, типичная для полупроводниковых материалов, автоматически обеспечивает требуемое соотношение энергий насыщения в том случае, если для усилителя и поглотителя используется один и тот же материал Рис. 4, Именно этим предопределяется возможность простой конструкции и технологии изготовления монолитных полупроводниковых лазеров с насыщающимся поглотителем. Другое необходимое требование состоит в том, что время релаксации поглотителя должно быть значительно меньше времени релаксации усилителя тЛ «rc, причем, учитывая малую
длину резонатора монолитных полупроводниковых лазеров, синхронизация мод требует меньшей величины тЛ, чем модуляция добротности. Существуют два способа уменьшения времени релаксации поглотителя: удаление фотоиндуцированных носителей электрическим полем или обеспечение условий для их ускоренной безызлучательной рекомбинации. В работе используются и тот и другой способы: первый — для синхронизации мод лазеров на квантовых точках (quantum dots), второй - в основном, для пассивной модуляции добротности лазеров с объемной активной областью. В последнем случае, для ускорения процесса рекомбинации в поглотителе, развивается метод облучения ионами высокой энергии. Такой тип поглотителя обладает рядом выгодных особенностей по сравнению с традиционной
пространственно-неоднородной инжекцией/экстракцией носителей или введением поглощающих слоев в лазерную структуру. Основные преимущества заключаются в пригодности метода для мощных импульсных лазеров с активной областью большого объема, обеспечении максимальной степени перекрытия поглотителя с полем излучения, возможности подбирать оптимальное время релаксации насыщения.
Актуальность темы определяется следующим.
Лазеры с пассивной модуляцией добротности являются источниками самых мощных, а с синхронизацией мод - самых коротких импульсов излучения. Поэтому, развитие именно этих методов, которое составляет предмет данной работы, ведет к непосредственному улучшению характеристик импульсных полупроводниковых лазеров как таковых и, следовательно, расширению сферы их применения.
Ионная имплантация является эффективным способом создания насыщающегося поглотителя в объемном материале, применение которого необходимо, если важна высокая мощность пикосекундных импульсов света. Тем не менее, динамические свойства инжекционных лазеров с им плантационным насыщающимся поглотителем, равно как и физические свойства самого поглотителя, все еще не достаточно хорошо изучены.
В настоящее время развитие технологии полупроводниковых наноразмерных гетероструктур, в том числе, квантовых точек, позволяет перейти от фундаментальных исследований их физических свойств к непосредственному созданию новых приборов на их основе. В настоящей работе исследуются лазеры на квантовых точках с пассивной синхронизацией мод.
Цель работы - экспериментальное исследование пикосекундной и субпикосекундной динамики излучения полупроводниковых инжекционных лазеров с насыщающимся поглотителем.
Научная новизна
Проведены исследования динамики излучения AlGaAs и InGaAsP диодных лазеров с быстрым насыщающимся поглотителем, сформированным путем облучения тяжелыми ионами (О, N, Аг). При этом в отличие от ранних работ, ионная имплантация проводилась не только со стороны сколотых зеркал, но и сквозь эмиттер, для чего была предложена новая технология облучения через защитную маску.
Метод облучения через маску позволяет создавать области насыщающегося поглощения с однородными свойствами, произвольным пространственным положением, размером и формой. Следовательно, открываются новые возможности для изучения свойств измененных в результате торможения ионов полупроводниковых материалов, а также более тонкого воздействия на динамику излучения лазеров через параметры насыщающегося поглотителя, что в частности позволило значительно увеличить энергию импульсов лазеров на основе двойной гетероструктуры (ДГС) с пассивной модуляцией добротности.
В работе рассматриваются преимущества лазеров с объемным активным слоем и насыщающимся поглотителем с точки зрения генерации мощных коротких импульсов света методом модуляции добротности, в то время как главные усилия исследователей сосредоточены на лазерах с квантоворазмерной активной областью, не оптимальных для решения данной задачи. Установлено, что большая толщина активного слоя ДГС лазеров и лазеров на основе одинарной гетероструктуры (ОГС) способствует значительному увеличению энергии одиночных импульсов лазеров с пассивной модуляцией добротности при одновременном сокращении их длительности. Это происходит как за счет общего объема активной среды, так и вследствие существенного перекрытия моды с усиливающим слоем.
Исследована форма моды лазеров с малым скачком показателя преломления на границе волновода в перпендикулярном плоскости р-п
перехода направлении. Волноводные свойства активной области таких лазеров могут существенно изменяться в зависимости от концентрации свободных носителей, что ведет к необычным режимам излучения. Например, продемонстрирована генерация пикосекундных импульсов в ярко выраженной утекающей моде ОГС лазерами с низколегированным эмиттером. Такое поведение объясняется уменьшением показателя преломления волновода с ростом концентрации свободных носителей на фоне изначально слабого волноводного ограничения.
Обнаружен эффект синхронизации Фабри-Перо мод в одиночных пикосекундных импульсах, излучаемых полупроводниковыми лазерами с насыщающимся поглотителем. Изучены условия возникновения эффекта в зависимости от скорости релаксации поглотителя и амплитуды накачки. Предложено качественное объяснение явления на основе флуктуационной модели синхронизации мод.
Проведено исследование двухсекционных лазеров на InAsAnGaAs квантовых точках. Продемонстрирована генерация коротких импульсов света лазерами на квантовых точках в режиме пассивной синхронизации мод. Намечены пути повышения мощности и расширения диапазона частот повторения импульсов. Доказана возможность применения имплантационного типа поглотителя для синхронизации мод лазеров на квантовых точках.
Практическая ценность работы заключается в следующем: 1. Анализ полученных экспериментальных данных и результатов моделирования позволяет проследить влияние деталей конструкции полупроводникового лазера с насыщающимся поглотителем на его способность генерировать мощные короткие импульсы в режиме модуляции добротности. Определены основные факторы, ограничивающие энергию и длительность излучения. В дальнейшем этот опыт может быть использован при разработке новых устройств, использующих импульсное лазерное излучение.
Предложен новый способ создания насыщающегося поглотителя в полупроводниковых лазерах путем имплантации через отверстия в защитной маске, допускающий распределение поглотителя, а также варьирование его объема в широком диапазоне без изменения энергии пучка. Метод не требует предельно высоких энергий ионов, т.е. для создания насыщающегося поглотителя возможно применение стандартных линейных промышленных ускорителей вместо циклотрона. Он позволяет разрабатывать новые конструкции приборов с насыщающимся поглотителем и является мощным инструментом для оптимизации их параметров.
Созданы монолитные пикосекундные полупроводниковые лазерные излучатели мощных (0.1 - 500 W) коротких (6 - 40 ps) одиночных импульсов в спектральном диапазоне 650 - 1550 шп, улучшенные характеристики которых достигаются за счет пассивной модуляции добротности.
Показано, что полупроводниковые квантовые точки могут быть эффективным интегрированным насыщающимся поглотителем, который необходим для пассивной синхронизации мод монолитных инжекционных лазеров. Таким образом, открыта перспектива применения лазеров на квантовых точках для генерации сверхкоротких импульсов света.
Продемонстрирована генерация <2 ps импульсов методом пассивной синхронизации мод лазеров на квантовых точках. Созданы лазеры на длине волны ~1,3 jum, что важно для волоконных систем связи и кремниевой оптоэлектроники, и -1.06 дт, что позволяет применять стандартные оптические усилители на основе Yb и Nd. Существенно расширен диапазон частот повторения импульсов (5 - 40 GHz), причем нижняя частота уникальна для монолитных полупроводниковых лазеров любого типа. Показана работоспособность данных приборов в условиях повышенной температуры (>60С).
Совокупность представленных в диссертации исследований позволяет сформулировать следующие научные положения, выносимые на защиту.
(О конструкции пикосекундного лазера) В полупроводниковом лазере режимы пассивной модуляции добротности и (или) синхронизация мод могут быть получены путем введения в резонатор интегрированного насыщающегося поглотителя на основе того же самого материала, что и материал активной среды лазера. Это относится как к объемным, так и к квантоворазмерным лазерам. Данная возможность связана со следующими общими свойствами: насыщением усиления/поглощения светом за счет вынужденных переходов, сублинейной зависимостью коэффициента усиления от концентрации носителей, наличием эффективных способов управления темпом релаксации.
(О длительности импульсов излучения) Режим пассивной модуляции добротности в лазерах с имплантированным насыщающимся поглотителем приводит к наиболее коротким импульсам света в случае объемной активной среды. Это связано, прежде всего, с высоким модовым коэффициентом усиления таких лазеров.
(О мощных пикосекундных лазерах). Для получения наиболее мощных пикосекундных импульсов света необходима максимальная толщина активной области при сохранении основной пространственной моды, что наилучшим образом обеспечивается в ОГС лазерах. К сожалению, это не приводит к соответствующему сокращению длительности импульса по сравнению с ДГС лазерами, что объясняется эффектом насыщения усиления вследствие недостаточной скорости внутризонной релаксации.
(Об угловом распределении излучения ОГС пикосекундного лазера) Дополнительный пик в дальнем поле со стороны подложки, наблюдаемый в мощных пикосекундных ОГС лазерах с имплантированным поглотителем и со слаболегированным широкозонным эмиттером, связан с образованием утекающего волновода в результате эффекта сверхинжекции и уменьшения коэффициента преломления с ростом концентрации носителей.
(О влиянии геометрии поглотителя). Геометрия расположения насыщающегося поглотителя является существенным фактором для лазеров с пассивной модуляцией добротности. Более выгодным для получения мощных импульсов света методом модуляции добротности является распределенное положение нескольких поглощающих секций вдоль резонатора.
(О механизме и темпе процесса синхронизации мод). В полупроводниковых лазерах с насыщающимся поглотителем процесс синхронизации мод стартует из флуктуации, обусловленной интерференцией продольных мод со случайными фазами. Высокий темп этого процесса в случае малого времени релаксации поглотителя является причиной синхронизации мод, которую можно наблюдать в одиночных импульсах вблизи порога.
(О пассивной синхронизации мод лазеров на квантовых точках). Квантовые точки являются подходящей средой для использования в качестве интегрированного насыщающегося поглотителя для достижения пассивной синхронизации мод полупроводникового лазера. Автопульсации на частоте релаксационных колебаний принципиально возможны, однако они не свойственны лазерам на квантовых точках. Это обусловлено как низким модовым усилением, так и на порядок большей по сравнению с другими типами лазеров нелинейностью усиления, и выгодно с точки зрения устойчивой работы лазера в режиме синхронизации мод.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на Международной зимней школе по физике полупроводников (С.-Петербург -Зеленогорск, 2 марта 1998 г.), IXth Conference on Laser Optics (St. Petersburg, June 22-26, 1998), 50th Scottish Universities Summer School in Physics (University of St. Andrews, Scotland, 21 June-4 July, 1998), IEEE 16th International Semiconductor Laser Conference (Nara, Japan, 4-8 October, 1998), Международном семинаре по оптоэлектронике (С.-Петербург, 5-6 ноября
1998), Xth Conference on Laser Optics (St.Petersburg, Russia, 26-30 June, 2000), IEEE 17th International Semiconductor Laser Conference (25-28 Sept. 2000, Monterey, CA, USA), Conference on Lasers and Electro-Optics (7-12 May 2000, San Francisco, CA, USA), International Conference on Indium Phosphide and Related Materials (14-18 May 2000, Williamsburg, VA, USA), 10th International Symposium on Nanostructures: Physics and Technology (St. Petersburg, Russia, June 17-21, 2002), 12th International Symposium on Nanostructures: Physics and Technology (St Petersburg, Russia, 21-25 June 2004), IEEE 19th International Semiconductor Laser Conference (Matsue-shi, Simane Pref., Japan, 21-25 September 2004), 13th International Symposium on Nanostructures: Physics and Technology (St Petersburg, Russia, June 20-25, 2005). Публикации.
Результаты диссертационной работы опубликованы в 16 печатных работах. Основное содержание работы изложено в трех главах.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Первая глава. Пассивная модуляция добротности диодных лазеров с имплантационным насыщающимся поглотителем.
Излучение одиночных импульсов инжекционными лазерами с насыщающимся поглотителем и без него
Во многих практических ситуациях желательно иметь излучение единственного импульса света после каждого импульса накачки. Поэтому внимание в основном акцентировалось на выяснении способов улучшения параметров лазеров, генерирующих в данном режиме. В настоящем параграфе рассматриваются основные факторы, влияющие на свойства излучаемого импульса.
Факторы, определяющие параметры импульсов излучения при модуляции добротности (Q-switching) и модуляции усиления (gain-switching) одни и те же, поэтому ради простоты рассмотрим вначале второй метод. При этом воспользуемся способом, предложенным в [30], но учтем явно коэффициент оптического ограничения, поскольку это необходимо для сравнения лазеров с различной толщиной активного слоя. Идея метода прямой модуляции проиллюстрирована на Рис. 1. Она заключается в выделении первого пика релаксационных колебаний, которые возникают при быстром включении источника накачки. Данный процесс может быть проанализирован с помощью скоростных уравнений (1-1) при = 0. Воспользуемся линейной аппроксимацией для коэффициента усиления (1-5) и выразим потери излучения через время жизни фотонов в резонаторе vg{a + ат) = 1/г, , тогда где пл =n, + — пороговая концентрация носителей, которая получается из (1-6), если положить
Рассмотрим, что происходит во время генерации светового импульса. Считая, что время генерации достаточно мало, пренебрежем изменением концентрации носителей за счет тока накачки и спонтанного излучения, тогда
У этой системы уравнений нет явного аналитического решения, однако можно показать, что имеет место следующая связь между плотностью фотонов и концентрацией носителей относительная начальная инверсия. Это позволит нам получить энергию импульса света и оценить его длительность, не прибегая к непосредственному решению системы дифференциальных уравнений (1-8). Учитывая (1-7) выразим коэффициент инверсии через размерные величины
Из (1-86) следует, что максимальная плотность фотонов 3 достигается в момент времени, когда я[Г] = 5?[Г]+1. Сделав соответствующую замену в (1-9а), получаем в предположении 3"(о)« 7 алгебраическое уравнение для 2 .
Полное число фотонов в импульсе определяется разницей между изначально наколенной концентрацией я[о] и уровнем, до которого уменьшается концентрация носителей в процессе излучения п . Очевидно, последняя находится между пороговым уровнем пл (поскольку для сокращения числа фотонов в конце импульса необходимо, чтобы потери превысили усиление) и уровнем нулевого усиления л, (поскольку для сокращения концентрации носителей за счет излучения коэффициент усиления должен оставаться положительным).
Аналогично [30] введем коэффициент экстракции rj, который представляет собой отношение полного числа излученных фотонов к предельно возможному
Поскольку 0 п Ыа I, коэффициент экстракции лежит в следующих пределах Точное уравнение получается из (1-9а), если положить s[o]- G, принять во внимание, что после излучения импульса [ ]-»0, « [ ]- я v„, и учесть соотношение (1-12) В случае & -»О 0 = r + ln[l-773 (I-L36).
Длительность импульса излучения можно приближенно оценить из полного р "max пах
Таким образом, свойства излучения в основном определяются только двумя параметрами: коэффициентом инверсии г и коэффициентом нелинейности усиления &. Уравнения позволяют оценить из г и 3 максимальную плотность фотонов в импульсе 7ШК (1-11), коэффициент экстракции ц (1-13) и длительность триЬе (1-14). Очевидно, точность оценки достаточно высока при больших значениях г и ее не следует применять при г «1, поскольку в этом случае пренебрежение током накачки и спонтанной рекомбинацией не является корректным. Решения уравнений (1-11, 1-12, 1-13) для некоторых значений 9 приведены на Рис. 2. Видно, что увеличение начальной инверсии г приводит к росту пиковой мощности светового импульса 3 , полной энергии и одновременному сокращению его длительности. Наличие нелинейности усиления при этом значительно затягивает импульс и уменьшает его мощность.
Эффект сверхинжекции и утекающая мода в мощных пикосекундных лазерах с насыщающимся поглотителем
При достаточно высоких дозах имплантированных ионов в зеркала ОГС лазеров в дальнем поле, в направлении, перпендикулярном плоскости р-п перехода [35], [37] появляются особенности, которые мы связываем с эффектом сверхинжекции. На Рис. 11 показано распределение дальнего поля в зависимости от дозы ионов, имплантированных со стороны зеркал мощных пикосекундных ОГС лазеров с сильно легированным эмиттером. Для дозы, превышающей 1011 cm 2, ясно виден дополнительный пик со стороны подложки в направлении около 12, Асимметрия дальнего поля указывает на то, что имеет место утекающий волновод.
Свойства трехслойных диэлектрических утекающих волноводов с резкой границей были детально рассмотрены аналитически в работе [38] с помощью лучевой модели. Форма моды для волновода произвольной формы может быть рассчитана численно [39]. Для возникновения утекающей моды необходимо, чтобы изменение показателя преломления, по крайней мере, на одной из границ волновода было недостаточно для существования стационарной моды (low-index leaky guide) или имело обратный знак, т.е. большая величина показателя преломления была вне волновода (strong-index leaky guide). Такая ситуация может быть получена в случае большой концентрации носителей, инжектированных в активный слой лазера, если принять во внимание, что наличие свободных носителей приводит к уменьшению вещественной части показателя преломления. Этот эффект был подробно рассмотрен нами в 1.4. В работе [40] было дано теоретическое объяснение эффекта сверхинжекции в ОГС лазерах со слабо легированным эмиттером. При этом учитывались как диффузионная, так и омическая составляющие тока. Зонная диаграмма лазера без учета последней представлена на Рис. 12 (А). В противоположном случае, когда омическая составляющая преобладает (что обусловлено относительно низкой степенью легирования эмиттера и одновременно большим током), возникает градиент потенциала, который приводит к аккумулированию свободных носителей в активном слое Рис. 12(B), причем их плотность значительно превышает концентрацию в эмиттере. В соответствии с принципом электронейтральности дырки аккумулируются в том же регионе. Согласно этой модели, увеличение тока приводит к одновременному росту толщины активного слоя, поскольку электронный квазиуровень Ферми Fe поднимается. В то же время инжекционная модель дает фиксированную толщину, ограниченную положением р-п перехода и гетерограницы. Расчеты, сделанные с помощью модели [40] для Q-switched лазеров с дозой имплантированных ионов около 1.5x10 cm" предсказывают пороговую концентрацию носителей вблизи гетерограницы около 8x10 cm", что существенно больше концентрации носителей в эмиттере. Это и приводит к разрушению волновода за счет антиволноводного эффекта и образованию утекающей моды. С другой стороны, инжекционная модель не предсказывает разрушения волновода.
Для подтверждения выше описанной модели мы использовали специальные эпитаксиально выращенные лазеры с п слоем, легированным до уровня всего 10]S cm"3 для того, чтобы еще в большей степени увеличить превышение пороговой концентрации носителей вблизи гетерограницы над концентрацией в эмиттере. Эти лазеры были имплантированы ионами N4+ с дозой 10й cm"2, в результате чего они стали излучать в Q-switching режиме. При ширине полоска 10 um и длине резонатора 250 цт они давали пиковую энергию около 12W в импульсе длительностью около 30-37 ps. Дальнее поле, интегрированное по всему периоду излучения, показано на Рис. 13. В отличие от лазеров с сильно легированным эмиттером, кривая строго асимметрична, присутствует ярко выраженный боковой пик, соответствующий утекающей в подложку моде. Измерение на стрик-камере показало, что оба пика присутствуют во время излучения импульса света. Существующее различие по сравнению с сильнолегированными лазерами можно объяснить более выраженным эффектом суперинжекции, который следует ожидать для лазеров с меньшей концентрацией носителей в эмиттере, поскольку пороговые токи были примерно равны для обоих типов структур.
К сожалению, детальное изучение характеристик лазеров со слаболегированным эмиттером было затруднено, т.к. они быстро приходили в негодность из-за высоких пороговых токов. Имеющие лучшие электрические параметры сильнолегированные лазеры работали стабильно, что позволило измерить положение бокового пика в зависимости от амплитуды накачки (при том выделялась только асимметричная компонента). На Рис. 14 показана оценка толщины планарного волновода, рассчитанная с помощью модели [38], в зависимости от длины волны излучения при различных токах накачки в пределах одного и того же режима генерации (одиночный импульс). Видно, что толщина волновода увеличивается с ростом амплитуды накачки, при этом она различна для разных спектральных компонент излучения. Это, также как само по себе существование утекающей моды, возможно только при наличии эффекта сверхинжекции.
Модуляция добротности QW лазеров с имплантированным через маску насыщающимся поглотителем.
QW лазеры имеют ряд преимуществ по отношению к лазерам с объемным активным слоем. Прежде всего, это малый пороговый ток, высокие модуляционные характеристики, лучшая температурная стабильность, резкий край поглощения, обусловленный большей величиной энергии экситона по сравнению с объемным материалом. Последний фактор является важным для излучения импульсов путем пассивной модуляции добротности. Двумерный характер электронного газа приводит к логарифмической, т.е. сублинейной зависимости коэффициента усиления, которая необходима для эффективного просветления насыщающегося поглотителя. Таким образом, совокупность свойств QW лазеров позволяет рассчитывать на получение режима модуляции добротности. Такой режим действительно многократно демонстрировался в лазерах с помощью смещенных в обратном направлении секций, причем наилучшие результаты достигались в MQW лазерах [67], обеспечивающих больший коэффициент усиления. Тем не менее, многочисленные попытки получения модуляции добротности в QW лазерах методом ионной имплантации со стороны зеркал не приводили к желаемому результату.
Одна из причин такой ситуации - не достаточный объем насыщающегося поглотителя. Модовый коэффициент усиления лазеров с квантовой ямой мал из-за малого значения коэффициента оптического ограничения Г. Коэффициент Г для ямы толщиной впт обычно составляет величину около 0.02, в то время как материальный коэффициент усиления, как правило, лишь в несколько раз больше объемного. Этот недостаток должен быть скомпенсирован за счет длины лазера, которая позволяет уменьшить потери на излучение, тем более что маленькие внутренние потери дают возможность это делать без существенного уменьшения внешнего квантового выхода. В противном случае не может быть получена большая величина коэффициента инверсии (см. 1.3), т.к. пороговая концентрация носителей для просветленного состояния поглотителя будет слишком велика. Оценка необходимой длины для типичного лазера на одиночной квантовой яме с учетом выше сказанного дает величину около 1000/ІШ. Для того, чтобы насыщающийся поглотитель занимал, по крайней мере, 15% от длины резонатора необходима глубина проникновения ионов 15ут с каждой стороны, что требует около IQQMeVэнергии ионов азота или несколько сотен UeV энергии ионов Аг. Такие энергии находятся за пределами возможностей циклотрона ФТИ, на котором мы проводили имплантацию. Новая технология имплантации через маску не обладает указанным недостатком, позволяя создавать любой объем поглотителя при малой энергии ионов, и это дало возможность нам продемонстрировать эффект пассивной модуляции добротности в QW лазерах, используя при этом имплантированный насыщающийся поглотитель.
Для экспериментов мы использовали полосковые InGaAs-лазеры с напряженной QW-областью и длиной волны генерации в районе 0.98fjm. Облучение структуры проводилось ионами N3 (5.6MeV, доза варьировалась в пределах 5х1010ст 2 - 2х1012слм 2) через маску Аил толщиной 4/яи, а также фоторезистивную маску, толщиной 6/т. Лазеры имели длину резонатора HQGjUm, который состоял из пяти усиливающих секций ДЛИНОЙ 200/tfM, разделенных областями насыщающегося поглотителя размером 20}лп каждая.
Лазеры накачивались импульсами тока длительностью 1.5/ьг. В этих условиях неимплантированные образцы давали лишь одиночный импульс излучения, за которым следовал длинный "хвост". Такое поведение вообще свойственно для gain-switched лазеров, накачиваемых относительно длинными импульсами. Когда доза ионов находилась в диапазоне 10" -10" cm"2, появлялись отчетливые незатухающие пульсации излучения, число которых с ростом амплитуды накачки увеличивалось, т.е. картина, наблюдаемая на стрик-камере, была аналогична той, которая имела место в ДГС лазерах (1.4). Это говорит о наличии эффекта пассивной модуляции добротности. С другой стороны, "жесткое" включение, характерное для ДГС лазеров, отсутствовало, длительность импульсов света была в несколько раз больше и составляла величину около 40 - 50 ps. Измеренные в режиме одиночных пиков света энергии излучения составили 2-5pJ для лазеров с \0рт Si02 полоском (нулевая мода), притом, что пороговая амплитуда накачки была менее 100 тА. Достаточно высокая однородность структуры позволила также создать пикосекундные лазеры той же длительности, но повышенной мощности за счет увеличения ширины полоска. Энергия лучших из них превосходила 50pj при амплитуде накачки не более \А, Такая величина энергии пикосекундного импульса одновременно с низким пороговым током QW-лазеров, позволила создать источник пикосекундных оптических импульсов со средней мощностью более XmW при частоте повторения импульсов 20 MHz. В лазерах, имплантированных дозой 2xl012cm2, автопульсации не наблюдались, с ростом амплитуды накачки появлялся "хвост". Исчезновение модуляции добротности в этом случае может быть объяснено слишком малым временем релаксации поглотителя, которое приводит к увеличению необходимой для его просветления мощности. Это находится в согласии с предсказаниями модели, описанной в 1.2.
Ватт-амперные характеристики двухсекционных лазеров на квантовых точках. Оптическая бистабильность
Видно, что теоретическая зависимость (Рис. 13) для случая быстрого поглотителя (10 5) не похожа на экспериментальную (Рис. 12). Она состоит исключительно из горизонтальных участков, разделенных одинаковыми по высоте скачками. В случае медленного поглотителя с характерным временем релаксации 500/" теоретическая и экспериментальная кривые аналогичны по форме. Однако количественное согласие отсутствует: диапазон амплитуд накачки, при котором сохраняется число пиков излучения, на самом деле, оказывается значительно больше. Имеет место также и другое противоречие, которое заключается в том, что столь длительное время релаксации при достаточно высокой дозе 5x10 ст г ионов Агь использованных для создания поглотителя, не соответствует существующим представлениям малом времени жизни, достигаемом методом ионной имплантации. Оба противоречия могут быть устранены, если предположить, двухступенчатую рекомбинацию носителей в насыщающемся поглотителе с быстрым временем захвата на глубокие уровни, но относительно медленным их последующим освобождением. В этом случае следует ожидать сокращения диапазона амплитуд накачки, при котором существует одиночный импульс света, в случае его большей мощности. Этот эффект действительно наблюдается в мощных InGaAsP пикосекундных лазерах с имплантированным насыщающимся поглотителем и будет рассмотрен в следующем параграфе.
Увеличения мощности пикосекундных лазеров с модулированной добротностью можно добиться несколькими способами. Один из них обсуждался в 1.5, где рассматривались лазеры с толстым активным слоем, широким полоской. Большая мощность таких лазеров по сравнению с другими лазерами с модуляцией добротности обусловлена, прежде всего, большим объемом активной области, который пропорционален поперечной площади активного слоя. Однако объем активной среды лазера может быть увеличен также за счет длины резонатора, что также должно приводить к росту энергии излучения. Численный расчет с помощью простых уравнений, которые использовались в предыдущем параграфе, предсказывает рост энергии излучения с увеличением длины резонатора при сохранении объемной доли поглотителя. Однако эксперименты, рассмотренные ниже, показывают, что рост длины лазера в случае сосредоточенного насыщающегося поглотителя, который только и возможен при имплантации со стороны зеркал, не только не ведет к увеличению энергии пикосекундных импульсов света, но может вызвать полное разрушение режима модуляции добротности. Наоборот, использование насыщающегося поглотителя, распределенного вдоль резонатора, который получается путем имплантации через защитную маску, позволяет достичь желаемого эффекта и поднять энергию световых импульсов, без увеличения их длительности, до уровня в несколько раз большего по сравнению с лучшими образцами, имплантированными со стороны зеркал.
Для экспериментов мы использовали InGaAsP лазерную структуру с толщиной активной области 250nm) и шириной зоны, соответствующей длине волны 1-522/яя (по фотолюминесцентному пику). Из структуры были изготовлены Sii полосковые лазеры с шириной полоска 0 (для генерации в нулевой пространственной моде), с многосекционным и сосредоточенным насыщающимся поглотителем. И в том и в другом случае варьировалось процентное содержание поглотителя, степень его локализации и полная длина резонатора. Причем для того, чтобы в максимальной степени исключить влияние посторонних факторов, все варианты приборов были созданы одновременно на одной и той же пластине, и облучены равными дозами ионов Аг через защитную маску. Схематично конструкция приборов показана на Рис. 14 (сверху). Насыщающийся поглотитель в этих лазерах был создан имплантацией ионов Аг с энергией 4.1 MeV и дозой 10n cm"2 через поверхность структуры. При этом количество секций поглотителя, симметрично расположенных в лазерном резонаторе длиной 500цт, меняется от одной до двадцати штук, и их суммарная доля составляет 20% от общего объема. В последнем случае размер отдельной имплантированной области составляет 5цгп, а области усиления - 20цт . На
Рис. 15 представлены типичные L-I характеристики пикосекундных лазерных диодов при импульсной накачке.
Для лазеров с несколькими секциями насыщающегося поглотителя отчетливо наблюдается резкий излом на L-I-характеристике. Он соответствует возникновению первого пика генерации в режиме модуляции добротности, а величина скачка энергии равна энергии одиночного импульса. Для лазера с одной секцией поглотителя этот излом отсутствует, что свидетельствует о невозможности получения автомодуляционного режима генерации во всем интервале токов накачки. Кроме того, широкий спектр излучения (Рис, 16) означает, что прибор работает в допороговом, суперлюминисцентном режиме. Вместе с тем на Рис. 17 можно видеть, что прибор с насыщающимся поглотителем того же объема, но разбитый на две части уже достигает лазерной генерации. Такое различие в свойствах может быть объяснено тем, что имеют место нелинейные эффекты в совокупности с неоднородным распределением света вдоль резонатора. Наиболее сильным из них является влияние пространственного "выжигания дыр" в области усиления за счет вынужденных переходов.
