Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Полупроводниковые лазеры на основе квантово-размерных гетероструктур раздельного ограничения. InGaAs/GaAs/AlGaAs и основные причины насыщения их мощностных характеристик (обзор литературы) 9
1.1. Мощные лазеры с InGaAs активной областью 9
1.2. Эффекты, ограничивающие максимальную мощность излучения лазерного диода 19
Выводы к главе 1 26
Глава 2. Исследование лазеров на основе InGaAs/GaAs гетероструктур при высоких уровнях токовой накачки 28
2.1. Изготовление образцов и методы проведения исследования 28
2.1.1. Метод изготовления образцов 28
2.1.2. Методика измерения ватт-амперных характеристик 36
2.1.3. Методика измерения спектральных характеристик 38
2.2. Исследование ватт-амперных характеристик 41
2.3. Исследование спектральных характеристик 42
2.4. Сравнение мощностных и спектральных характеристик. Токовые утечки в волноводном слое 45
Выводы к главе 2 52
Глава 3. Теоретические оценки роста концентрации электронов в активной области гетеролазера 54
3.1. Время рассеяния энергии носителей тока и время жизни стимулированных излучательных переходов в активной области 54
3.2. Зависимости концентрации и температуры электронов от плотности тока в случае спонтанного излучения 57
3.3 Зависимости концентрации и температуры электронов от плотности тока в случае стимулированного излучения 65
Выводы к главе 3 72
Глава 4. Исследование лазеров на основе InP (Я = 1.5-1.8 мкм) при высоких уровнях накачки. Гетероструктура с двумя электронными уровнями и исследование лазеров на её основе 73
4.1. Насыщение мощностных характеристик лазеров на основе InP... 73
4.1.1. Исследование импульсных ватт-амперных характеристик лазеров на основе InP 74
4.1.2. Исследование импульсных спектральных характеристик лазеров на основе InP 76
4.1.3. Экспериментальные исследования концентрации носителей заряда в активной области за порогом генерации лазеров на основе GaAs и InP 83
4.2. Конструкция гетероструктуры с двумя линиями генерации и лазеры на её основе 89
4.2.1. Определение параметров гетероструктуры с двумя электронными уровнями 90
4.2.2. Ватт-амперная характеристика лазерных диодов с толщиной активной области 10 нм 93
4.2.3. Спектральные характеристики лазерных диодов. Двухполосная генерация 96
4.3. Достижение максимальной мощности и исследование угловых характеристик гетеролазеров с толщиной квантовой ямы 10 нм... 98
Выводы к главе 4 104
Заключение 106
Литература
- Эффекты, ограничивающие максимальную мощность излучения лазерного диода
- Методика измерения спектральных характеристик
- Зависимости концентрации и температуры электронов от плотности тока в случае спонтанного излучения
- Исследование импульсных спектральных характеристик лазеров на основе InP
Введение к работе
Полупроводниковые лазеры имеют огромнейшее значение в современной оптоэлектронной технике. Начиная с 60-х годов прошлого века, быстро увеличивался объём исследований по полупроводниковым лазерам, и изучение приборов на /?-л-переходах представляло собой одну из наиболее быстро развивающихся областей электроники. Изучение лазеров, с целью улучшения их основных выходных параметров, является одной из основных задач мировой науки - всё большее применение находят лазеры в нашей жизни. А уже освоенные сферы - электронная техника, медицина, экология.
В настоящее время мощные лазерные диоды активно используются для накачки волоконных усилителей, твердотельных лазеров, в спектроскопии, в частности, для анализа атмосферных слоев.
Первоочередными задачами в разработке полупроводниковых лазеров являются увеличение выходной оптической мощности, повышение эффективности и надежности данных приборов. Оптическая мощность излучения является одной из важнейших характеристик лазерного диода. Однако с увеличением тока накачки происходит эффект насыщения ватт-амперной характеристики.
В этой связи тема работы, направленная на изучение стимулированной рекомбинации, которая определяет выходную мощность оптического излучения, в лазерных гетероструктурах ближнего инфракрасного (ИК) диапазона при высоких уровнях токовой накачки, является актуальной как с научной, так и с практической точек зрения.
Основная цель работы заключалась в исследовании стимулированной рекомбинации в квантово-размерных структурах при высоких уровнях возбуждения при комнатной температуре и разработке мощных импульсных источников излучения в ближнем ИК-диапазоне.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
1. Исследования излучательных характеристик (ватт-амперных, спектральных и угловых) полупроводниковых лазеров ближнего РІК диапазона при высоком уровне возбуждения (до 100 кА/см2) в импульсном режиме (длительность импульса равна 100 не, частота повторения импульсов - 10 кГц) и плотности оптического излучения на грани резонатора до 75 МВт/см2.
2. Определение фундаментальных причин насыщения ватт-амперных характеристик и расширения спектра генерации полупроводниковых лазеров ближнего ИК-диапазона.
3. Разработка и создание мощных импульсных многомодовых полупроводниковых лазеров с одно- и двухполосной генерацией в квантово-размерной активной области гетероструктуры раздельного ограничения.
Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:
1. Проведены теоретические и экспериментальные исследования излучательных характеристик гетеролазеров при высоких уровнях токовой импульсной накачки (до 100 кА/см2).
2. Теоретически и экспериментально определено, что конечная величина времени рассеяния энергии электронов на неравновесных оптических фононах является причиной насыщения мощностных характеристик гетеролазеров.
3. Обнаружен рост концентрации носителей в активной области гетеролазера за порогом генерации.
Практическая ценность работы заключается в следующем: 1. В мощных полупроводниковых лазерах, полученных методом МОС-гидридной эпитаксии на основе ассиметричных квантово-размерных гетероструктур раздельного ограничения с толстым волноводом, достигнута оптическая мощность излучения 145 Вт с лазерного диода с 100 мкм апертурой в импульсном режиме токовой накачки. 2. Получены сравнимые по интенсивности две полосы генерации излучения на длинах волн 1.06 и 0.98 мкм из квантовой ямы лазерного диода.
Совокупность представленных в диссертации экспериментальных и теоретических данных позволяет сформулировать следующие основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Скорость стимулированной рекомбинации в квантовых ямах активной области полупроводниковых лазеров ограничена конечной величиной времени рассеяния энергии электронов на неравновесных оптических фононах.
2. Ограничение скорости стимулированной рекомбинации приводит к увеличению концентрации носителей заряда в квантово-размерной активной области полупроводникового лазера за порогом генерации.
3. Рост концентрации носителей заряда в квантово-размерной активной области полупроводникового лазера при высоких уровнях токовой накачки ведёт к появлению второй полосы генерации в коротковолновой области спектра.
Приоритет результатов
Представленные в диссертации результаты исследования излучательных характеристик (ватт-амперных, спектральных и угловых) полупроводниковых лазеров ближнего ИК диапазона при высоком уровне возбуждения (до 100 кА/см) в импульсном режиме (длительность импульса - 100 не, частота повторения импульсов - 10 кГц) и плотности оптического излучения на грани резонатора до 75 МВт/см2 получены впервые. Достигнутая выходная пиковая мощность (величина 145 Вт) с одного лазерного диода с шириной полоска 100 мкм является рекордным значением в мире на момент написания работы.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на VII Российской конференции по физике полупроводников «Полупроводники 2005» (Москва, сентябрь 2005г), на XII международной конференции «Laser Optics - 2006» (Санкт-Петербург, Россия, июнь 2006), на Международной конференции «High Power Laser Beams - 2006» (Нижний Новгород, Россия, июль 2006), на Международной конференции ICONO / LAT 2007 (Минск, Беларусь, май-июнь 2007), а также на научных семинарах лаборатории "Полупроводниковой люминесценции и инжекционных излучателей" ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 6 работ, список которых приведён в заключение диссертации.
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы.
Первая глава посвящена краткому обзору литературных данных по мощным многомодовым полупроводниковым гетеролазерам, выращенным на подложке GaAs, а также основным причинам, ограничивающим их максимальную оптическую мощность излучения.
Во второй главе описаны методы изготовления образцов, схемы и методики проведенных измерений. Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований особенностей ватт-амперных и спектральных характеристик лазерных диодов на основе КР РО ДГС InGaAs/GaAs, излучающих на длине волны 1.04 мкм, вплоть до высоких уровней возбуждения (100 кА/см ).
Третья глава посвящена исследованию процесса роста концентрации носителей заряда, как при спонтанном, так и при стимулированном излучении лазерного диода.
В четвертой главе представлены результаты исследований мощностных и спектральных характеристик лазерных диодов на основе InGaAsP/InP и AHnGaAs/InP твердых растворов. Помимо этого в главе описывается гетероструктура на основе InGaAs/GaAs твердого раствора, лазеры на её основе с двумя полосами генерации из квантовой ямы и даны излучательные характеристики таких лазеров.
В заключение диссертации формулируются наиболее важные результаты.
Диссертационная работа выполнена в лаборатории «Полупроводниковой люминесценции и инжекционных излучателей» ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН и на кафедре Физики твёрдого тела и наноструктур Воронежского государственного университета в соответствии с планом научно-исследовательских работ.
Эффекты, ограничивающие максимальную мощность излучения лазерного диода
На данный момент можно с уверенностью сказать, что не существует единого мнения относительно причин, ограничивающих дальнейший рост непрерывной мощности излучения полупроводниковых лазеров. В работах [40,43] показано, что получение больших значений мощности излучения лазерных диодов на основе гетероструктур InGaAs/InGaAsP/InGaP/GaAs и InGaAs/GaAsP/GaAs/AlGaAs было невозможно из-за катастрофической оптической деградации зеркал резонатора. Тогда, как авторы [42] утверждают, что КОДЗ можно избежать вплоть до значений плотности мощности на выходном зеркале лазерного диода в 30 МВт/см. Максимальное значение непрерывной мощности излучения лазерного диода на основе InGaAs/AlGaAs гетероструктуры, полученное в [44], было ограничено разогревом активной области, что подтверждает факт достижения гораздо большей мощности излучения в импульсном режиме генерации.
Исследованию причин катастрофической оптической деградации (КОД) посвящено большое количество работ. Так Генри в [47] выполнил детальное исследование КОД в AIGaAs/GaAs лазерных диодах, из чего сделал заключение: причиной КОД является локальное расплавление активного слоя и «темные линии», зарождающиеся на непокрытых гранях резонатора. Группа из IBM разъяснила [48,49], что окисление поверхности есть движущая сила разогрева поверхности, ведущая к КОД в А1 содержащих лазерах. Для напряженных InGaAs/AlGaAs лазеров расширение темной поглощающей области в гетероструктуре начинается от поверхности, ответственной за КОД, в то время, как 100 дефекты темных линий подавлены вследствие усиления решетки за счет In в активной области [50,51]. В [52] показано, что для InGaAs/AlGaAs лазеров в области КОД наблюдается обширный смешанный слой с сильнодефектным ядром расплавленного материала. Локальный термический разогрев, вызывающий КОДЗ, обусловлен тем, что грани резонатора, исполняющие роль выходных зеркал, содержат на своей поверхности большое количество безызлучательных центров рекомбинации. Появление таких центров связано как с процессами окисления поверхности зеркала, так и с наличием оборванных связей атомов, формирующих грань резонатора [53,54]. С ростом тока накачки безызлучательная рекомбинация на поверхности зеркала ведет к разогреву и, как следствие, сужению ширины запрещенной зоны. Сужение ширины запрещенной зоны ведет к росту коэффициента поглощения и служит причиной дальнейшего разогрева.
В работах [55,56] порог КОДЗ был смещен за счет пассивации выходных граней резонатора. В [57] было показано, что снижение скорости поверхностной рекомбинации с 4 105 см/с до 2.3 105 см/с за счет пассивации зеркал позволило увеличить порог оптической деградации зеркал с 4.8 МВт/см до 10.3 МВт/см . Дальнейшее снижение скорости поверхностной рекомбинации до 1.8І05 см/с позволило увеличить порог более, чем в два раза - до 23 МВт/см . В связи с этим авторы работы [57] делают заключение, что при дальнейшем снижении скорости поверхностной рекомбинации до 1 105 см/с интенсивность выходного излучения больше не будет ограничиваться разогревом поверхности зеркал.
В сравнении с А1-содержащими лазерами ожидалось, что безалюминиевые лазерные диоды будут обладать высокой стойкостью к быстрой деградации из-за замедления распространения дефектов темных линий и окисления поверхности. Однако в [58] показано, что КОД имеет место и в безалюминиевых лазерных диодах. В работе [59] были исследованы процессы КОД в безалюминиевых InGaAs/InGaP лазерах с длиной волны генерации 980 нм. Лазерные диоды имели мезаполосковую конструкцию с шириной активного полоска 3.5 мкм. С обоих концов резонатора были сделаны изолирующие области для повышения порога КОД. Для лазерных диодов с непокрытыми зеркалами КОД наступал при плотности оптической мощности 7.8 МВт/см. Исследования электролюминесцентных фотографий показали, что с ростом тока накачки на расстоянии -100 мкм от переднего зеркала появляются яркие точки-капли расплава, вызванные сильным локальным поглощением лазерного излучения. В случае стабилизации тока накачки изменения в картине не происходило. При дальнейшем повышении тока лазер демонстрировал резкое ухудшение выходных характеристик, соответствующее КОД. С ростом тока накачки, наблюдалось смещение ярких точек, которые оставляли за собой поглощающие области. Похожие наблюдения были сделаны в [60]. Правда, там яркие точки наблюдались на выходном зеркале резонатора, в то время как в [59] показана возможность их зарождения внутри резонатора. Исследования, проведенные с помощью ТЕМ спектроскопии, показали, что темные области имеют поликристаллическое сильно дефектное строение и распространяются как в активной области, так и в ограничительных слоях.
Методика измерения спектральных характеристик
Функциональную схему установки для исследования спектральных характеристик лазерных диодов в импульсном режиме при больших уровнях накачки, которая изображена на рис. 2.5, можно условно разбить на три блока: -к первому блоку относится оборудование, обеспечивающее работу лазерного диода в импульсном режиме; - устройства, входящие в состав второго блока обеспечивают приём и преобразование оптического излучения в эквивалентный электрический сигнал; -приборы и устройства, образующие третий блок, позволяют представить результат в графической форме. В первый блок входят: -источник постоянного тока Б5-49 (позволяет задавать частоту импульсов, подаваемых на лазерный диод); -источник напряжения УИП-2 (служит для регулировки амплитуды подаваемых на лазерный диод импульсов); -осциллограф С1-65А (подключен к резистору, подключенному в цепь нагрузки лазерного диода; служит для наблюдения формы и амплитуды подаваемых импульсов)
Во второй блок входят: -конденсор; -монохроматор МДР-23; -фотоприемник германиевый; -селективный нановольтметр UNIPAN type 237; -преобразователь напряжения В9-2.
Сканирование спектра осуществляется вращением дифракционной решетки монохроматора МДР-23 вокруг ее оси, параллельной ее штрихам и проходящей через ее середину. Количество штрихов дифракционной решетки определяет диапазон длин волн излучения, который можно просканировать с помощью монохроматора.
Для проектирования источника света на входную щель монохроматора служит конденсор. Излучение от лазерного диода через конденсор попадает во входную щель монохроматора. Далее через систему поворотных зеркал и объективов, отражается от дифракционной решетки и далее фокусируется на выходную щель.
Далее излучение через выходную щель поступает на германиевый фотоприемник, где он создаёт в цепи световой ток пропорциональный мощности потока излучения. К фотоприемнику подключено сопротивление R=l кОм.
Сигнал с фотоприемника поступает на селективный нановольтметр с помощью которого он усиливается и отфильтровывается от шумов и помех. Далее сигнал поступает на преобразователь напряжения, который служит для усиления сигнала, полученного от селективного нановольтметра.
В третий блок входит: -потенциометр КСП-4 (двухканальный самописец). Использование двухканального самописца позволяет получать спектральную характеристику в удобном графическом виде.
В непрерывном режиме генерации увеличение температуры активной области при пропускании больших токов накачки очевидно. Простые расчеты и эксперименты по определению перегрева активной области дают величину в 50-100 С, в зависимости от длины резонатора (2-4 мм) и силы тока (15-25 А). Перегрев активной области приводит к различного рода последствиям: выбросу носителей в волновод, росту порогового тока, увеличению внутренних оптических потерь и другим. В результате наблюдается насыщение ватт-амперной характеристики. Исследование эффекта насыщения в непрерывном режиме генерации проходит в условиях, при которых может наступить деградация лазерного диода в любой момент времени. Поэтому в настоящей работе сделана попытка исключить перегрев полупроводникового лазера за счет перехода от непрерывного режима накачки к импульсному. Для этого был использован импульсный генератор тока с длительностью импульса менее 100 не, силой тока до 200 А и частотой повторений 10 кГц. Использование такого режима при токах накачки 20 - 25 А практически полностью исключает перегрев лазерного кристалла. Однако при токах накачки в 200 А за время импульса активная область полупроводникового лазера перегревается на 20-30 градусов.
На рис.2.6 приведены ватт-амперные характеристика полупроводникового лазера в непрерывном и импульсном режимах генерации. При токах накачки около 20А в непрерывном режиме наблюдается насыщение ватт-амперной характеристики, а в импульсном режиме признаков насыщения не отмечено. Это позволяет сделать вывод, что температурный разогрев полупроводникового лазера в непрерывном режиме генерации является основной причиной насыщения ватт-амперной характеристики. Все остальные причины являются его производными. Однако и при импульсном режиме накачки в диапазоне токов 100-200 А, когда перегрев активной области значительно ниже, чем в непрерывном режиме, в ватт-амперных зависимостях наблюдается снижение дифференциальной квантовой эффективности. Это происходит в диапазоне токов 100 - 200 А в зависимости от конструктивных особенностей лазерной гетероструктуры и лазерного диода.
Известно, что мощные полупроводниковые лазеры имеют широкий спектр излучения [65,72-74]. Однако при высоких уровнях накачки исследования причин, приводящих к увеличению ширины спектра в полупроводниковых лазерах, не производились. На рис. 2.7 приведены спектры генерации полупроводникового лазера в зависимости от тока накачки в импульсном режиме. С ростом тока накачки в развитии спектра имеется несколько особенностей. Наблюдается смещение длинноволновой границы спектра, обусловленное разогревом активной области за время импульса тока накачки. Коротковолновая граница спектра генерации также смещается с ростом тока накачки. При токе накачки 80-100 кА/см в некоторых случаях ширина спектра генерации достигает 60 нм. Еще одной важной особенностью является насыщение максимума интенсивности спектра излучения. После достижения некоторой величины тока накачки интенсивность излучения прекращает расти, и наблюдается только уширение спектра генерации.
Зависимости концентрации и температуры электронов от плотности тока в случае спонтанного излучения
На рисунках 3.7 и 3.8 приведены рассчитанные зависимости концентрации и температуры неравновесных электронов от плотности тока накачки в случае генерации стимулированного излучения.
На вставках к рисункам 3.7 и 3.8 показаны начальные участки этих зависимостей, включающие участки спонтанного излучения при j jth. Расчет концентрации и температуры для спонтанного излучения при Т = 300 К проводился аналогично случаю Т= 77 К. Видно, что при увеличении тока накачки концентрация неравновесных носителей заряда существенно возрастает. Это накопление происходит вплоть до достижения током порогового значения. После начала генерации стимулированного излучения рост концентрации значительно замедляется, так как практически все генерируемые электроны и дырки стимулировано испускают кванты света. Поэтому концентрация носителей заряда стабилизируется. Далее происходит накопление электронов в КЯ, их концентрация возрастает и спектр расширяется.
Изменение температуры электронов на этих двух участках является следствием изменения концентрации. Увеличение концентрации при возрастании тока накачки на участке спонтанного излучения означает, что дополнительная энергия, приобретаемая электронами от поля, рассеивается увеличивающимся количеством электронов. Вследствие соотношения n{j) j практически вся приобретенная электронами энергия успевает передаваться в фононную подсистему, поэтому увеличение температуры электронов на этом участке пренебрежимо мало. Напротив, стабилизация концентрации после начала генерации стимулированного излучения n(j) const(j) означает, что сильно возрастающая дополнительная энергия, приобретаемая электронами от поля, не успевает рассеиваться почти неизменным количеством электронов. Поэтому температура электронов значительно возрастает. Далее концентрация в КЯ плавно возрастает и температура увеличивается. При сильном увеличении концентрации (при токах более 60 кА/см) температура электронов остается почти неизменной, как и в случае допорогового режима.
Было определено время рассеяния энергии для электронов при взаимодействии с полярными оптическими фононами, которое составило величину порядка 0.5 пс. При совпадении времени стимулированной излучательной рекомбинации и минимального значения времени рассеяния энергии наступает стабилизация интенсивности излучения с определенного энергетического уровня.
Необходимо учитывать, что из-за разогрева носителей заряда при высоких уровнях инжекции в постпороговом режиме концентрация носителей заряда должна расти и явление стабилизации концентрации носителей заряда в квантовой яме должно исчезнуть. Из-за разогрева носителей заряда увеличивается выброс носителей заряда из квантовой ямы в барьеры (появление токов утечки), что особенно существенно в рассматриваемой квантовой яме для электронов. Этот процесс может приводить к уменьшению дифференциального квантового выхода. Важно отметить удовлетворительное согласие экспериментально найденных и рассчитанных спектров и их зависимости от плотности тока.
В первом параграфе данной главы представлены результаты исследований в импульсном режиме генерации причин, ограничивающих мощность оптического излучения в лазерах на основе подложек фосфида индия, излучающих в ближнем ПК-диапазоне на длинах волн 1.5-1.8 мкм. Во втором и третьем параграфе приведены результаты исследований, целью которых являлось определение оптимальных параметров InGaAs/GaAs/AlGaAs гетероструктуры для получения максимальной мощности излучения и двух полос генерации одновременно с одного лазерного диода, а также изучение излучательных характеристик лазерных диодов, изготовленных на основе этой гетероструктуры.
Все исследования проводились при импульсном режиме накачки, с длительностью импульса 100 не и частотой повторения 10 кГц. В качестве объекта исследования использовались полупроводниковые лазеры раздельного ограничения, изготовленные методом МОС - гидридной эпитаксии на основе твердых растворов, изопериодических подложке фосфида индия, и излучали в диапазоне длин волн 1.5-1.8 мкм. Измерения проводились с помощью методов, описанных в главе 2.
Зависимость выходной мощности излучения (Р) от тока накачки (7) можно представить в виде известного выражения [45]: где Tj,- квантовый выход стимулированного излучения, amirr - оптические потери на выход, а,- внутренние оптические потери, q - заряд электрона, hv - энергия фотона, I,h - пороговый ток полупроводникового лазера.
Из анализа этого выражения видно, что насыщение ватт-амперной характеристики может быть связано с ростом внутренних оптических потерь (ai) и снижением стимулированного квантового выхода (rji) при увеличении тока накачки. Из классических представлений о стабилизации уровня Ферми за порогом генерации рост порогового тока и его влияние на мощностные характеристики полупроводникового лазера не очевидны. Выше было продемонстрировано, что при высоких уровнях возбуждения и высоких плотностях оптических потоков в лазерах на подложках GaAs концентрация носителей заряда за порогом генерации растет, и это может приводить к снижению дифференциальной квантовой эффективности.
В лазерах на подложках InP переход к импульсному режиму накачки позволил, как и в случае лазеров на подложке GaAs, значительно увеличить излучаемую оптическую мощность по сравнению с непрерывным режимом генерации. В то же время зарегистрированные в импульсном режиме оптические мощности в лазерах на подложке фосфида индия в несколько раз ниже, чем в лазерах на подложках арсенида галлия (рис. 4.1).
Исследование импульсных спектральных характеристик лазеров на основе InP
Для достижения максимальной мощности излучения при импульсном режиме накачки были изготовлены лазеры, на основе гетероструктуры, описанной в 4.2. Благодаря низким оптическим потерям в данной гетероструктуре, можно изготавливать лазеры с длинами резонаторов 3 мм, что позволяет, наряду с увеличением объема активной области, по сравнению с лазерами с толщиной активной области 7 нм, увеличить выходную оптическую мощность излучения. На рис. 4.12 представлена полученная ватт-амперная характеристика. Максимальная пиковая мощность излучения одного лазерного диода в импульсном режиме генерации составила 145 ватт.
При использовании импульсного режима возбуждения были проведены исследования зависимости распределения интенсивности излучения от тока накачки в ближней и дальней зоне лазерного диода.
Проведенные измерения картины ближнего поля (рис. 4.13) показывают, что генерация происходит почти равномерно по всей области излучения во всем диапазоне токов накачки. Отсутствие каналов генерации (так называемых «шпот») позволяет говорить о высоком качестве исследуемых гетероструктур. С увеличением тока накачки в импульсном режиме распределение излучения в ближнем поле становится более равномерным. Если при относительно малых токах накачки различие в распределении интенсивности по ширине полоска составляет около 20 %, то при высоких токах (160 А) это различие менее 10 %.
Распределение интенсивности излучения в дальней зоне в плоскости, параллельной р-п переходу, при импульсном режиме возбуждения показано на рис.4.14. Видно, что ширина поля на уровне половины интенсивности растет с увеличением тока накачки. Это свидетельствует о возникновении мод генерации высшего порядка с увеличением тока накачки.
Картина излучения в дальней зоне в плоскости, перпендикулярной р-п переходу, при различных токах накачки лазерного диода представлена на рис.4.15. Значения ширины поля на половине интенсивности (Gj) составили около 32 во всем диапазоне токов накачки. С ростом тока накачки величина 0j_ и форма зависимости распределения интенсивности излучения от угла, описываемая с высокой точностью функцией Гаусса, практически не меняются. Такое стабильное поведение диаграммы направленности говорит о сохранении одномодового характера излучения в плоскости, перпендикулярной р-n переходу. Это дает возможность введения лазерного излучения в оптическое волокно с минимальными потерями.
В лазерах на подложках InP ( ,=1.5-1.8 мкм) наблюдалось насыщение ватт-амперных характеристик в импульсном режиме накачки аналогичное лазерам, излучающим на длинах волн 1.04 мкм. Также экспериментально продемонстрировано, что смещение длины волны генерации в коротковолновую область связано с увеличением пороговой плотности тока и, следовательно, с ростом концентрации носителей заряда в активной области. Определено, что в импульсном режиме генерации концентрация носителей заряда в активной области за порогом генерации возрастает в 3-4 раза и может достигать 10 см при плотностях тока накачки более 80 кА/см . Ход полученной зависимости роста концентрации от плотности тока совпадает с аналогичной зависимостью, теоретически полученной в третьем параграфе главы 3. Значение концентрации, полученное из экспериментальных данных, в 3 раза выше, чем в расчётах, сделанных там же. Связано это с тем, что при расчётах не учитывались различные виды потерь, которые дают свой вклад в эксперименте.
В результате исследований показано, что в полупроводниковых лазерах раздельного ограничения с квантово-размерной активной областью, содержащей два электронных уровня размерного квантования, достигается двухполосная генерация при высоких уровнях импульсной токовой накачки. Создание условий инверсной заселенности второго электронного уровня достигается, во-первых, за счет снижения стимулированных времен жизни на первом электронном уровне до величин, сравнимых с временами релаксации по энергии электронов в активной области, т.е. с временем доставки электронов на нижний электронный уровень. Во-вторых, за счет более высокой плотности состояний для второго электронного уровня, чем для первого.
Практическая ценность наблюдаемого эффекта заключается в достижении двухполосной генерации в одном полупроводниковом лазере, необходимой для исследований нелинейных эффектов и разработок источников терагерцового диапазона длин волн. Непосредственный эффект наблюдается в увеличении интегральной мощности излучения при импульсном возбуждении полупроводникового лазера с двумя электронными уровнями в квантово-размерной яме активной области.
Излучение в ближней зоне лазерного диода с ростом тока накачки становится более равномерным. Интенсивность распределения по все ширине полоска не превышает 10% при плотности тока 50 кА/см . В дальней зоне в плоскости, параллельной р-n переходу, с увеличением тока накачки наблюдается появление мод высшего порядка. При больших плотностях тока возбуждения (50 кА/см) сохраняется одномодовый характер генерации в плоскости, перпендикулярной р-n переходу.
