Введение к работе
Актуальность темы.
Полупроводниковые лазеры находят множество практических применений, среди которых наиболее важным является передача информации по оптическому волокну, обработка материалов сфокусированным лазерным лучом, накачка твердотельных лазеров и различные медицинские приложения, такие как оптическая когерентная томография и лазерная хирургия [1]. Преимущества полупроводниковых лазеров по сравнению с лазерами другого типа обусловлены их компактностью, сравнительно невысокой стоимостью и высоким КПД. К тому же ввиду большого разнообразия полупроводниковых материалов лазерное излучение может быть получено в широком спектральном диапазоне, в зависимости от той или иной прикладной задачи.
В последнее время прогресс в области полупроводниковых лазеров связан с использованием квантоворазмерной активной области, особенности плотности состояний которой позволяют улучшить основные параметры приборов. Так использование квантовых точек (КТ) в качестве активной области позволило достичь рекордно низкой пороговой плотности тока [2] и температурно-независимых ватт-амперных характеристик при температурах близких к комнатной [3]. В связи с этим в качестве объекта исследования были выбраны полупроводниковые инжекционные лазеры с квантоворазмерной активной областью (квантовыми ямами (КЯ) и самоорганизующимися КТ).
На начальном этапе развития лазеров с КЯ и КТ основные усилия были направлены на исследование процессов, протекающих непосредственно в активной области, и оптимизацию режимов ее формирования с целью подавления каналов безызлучательной рекомбинации, управления длиной волны излучения, увеличения оптического усиления и т.д. Благодаря достигнутым успехам, важную роль для оптимизации лазерных характеристик начинают играть физические процессы, затрагивающие состояния матрицы (волноводного слоя) и состояния возбужденных уровней активной области. В частности, подавление рекомбинации носителей заряда, заселяющих состояния волновода, позволило бы снизить пороговую плотность тока и улучшить его температурную стабильность, в особенности в случае коротковолновых и мощных лазеров [4, 5].
Другим примером, когда высокоэнергетические состояния играют определяющую роль, является влияние возбужденных уровней КТ на фактор уширения спектральной линии (а-фактор) в лазерах на квантовых точках (ЛКТ). Этот важный параметр определяет, помимо уширения спектральной линии одночастотных лазеров, такие свойства лазера, как паразитная частотная модуляция, образование отдельных каналов генерации, нестабильность частоты следования импульсов в лазерах с синхронизацией мод и срыв когерентности лазерного излучения, связанный с паразитной оптической обратной связью [6]. Для подавления этих нежелательных эффектов необходимо иметь а-фактор близким к нулю. В том случае, если бы КТ имели единственный (основной)
оптический переход с гауссовым распределением энергетических состояний, фактор уширения линии был бы равен или близок к нулю вследствие симметрии спектра усиления относительно своего максимума. Однако, наличие возбужденных состояний в реальной лазерной структуре на основе самоорганизующихся КТ приводит к нарушению симметрии спектра усиления и, как следствие, нежелательному увеличению а-фактора [6].
Также возбужденные состояния непосредственно связаны с компрессией усиления в полупроводниковом лазере - зависимостью оптического усиления от плотности фотонов в лазерном резонаторе. Данный эффект обусловлен конечным временем захвата носителей заряда на основное состояние активной области с возбужденных состояний. Компрессия усиления особенно сильно проявляется в ЛКТ, что необходимо учитывать, в частности, при рассмотрении динамических свойств таких лазеров [7].
С учетом вышесказанного целью работы было исследование влияния возбужденных состояний и состояний волновода на основные характеристики лазеров на КЯ и КТ, а также их оптимизация на основе обнаруженных особенностей.
Для достижения указанной цели решались следующие основные задачи:
разработка конструкции и создание полупроводниковых лазеров с асимметричными барьерными слоями, позволяющими подавить паразитную рекомбинацию носителей заряда в волноводном слое вне квантоворазмерной активной области;
исследование влияния возбужденных состояний в лазерах на основе КТ InAs на фактор уширения спектральной линии и определение путей снижения а-фактора; исследование зависимости а-фактора в таких лазерах от накачки и температуры, а также его спектральной зависимости;
исследование влияния процессов обмена носителями между основным и возбужденным уровнями КТ на коэффициент компрессии усиления в лазерах на основе КТ InAs; исследование зависимости коэффициента компрессии усиления от мощности лазерного излучения.
Научная новизна работы заключается в следующем:
впервые созданы и исследованы характеристики полупроводниковых лазеров нового типа - лазеров с асимметричными барьерными слоями. Экспериментально показано, что использование асимметричных барьерных слоев по обе стороны квантоворазмерной активной области позволяет снизить паразитную рекомбинацию в волноводе;
впервые получено аналитическое выражение для фактора уширения спектральной линии лазера на основе КТ InAs, позволяющее в явном виде описать экспериментально наблюдаемые зависимости от оптических потерь и плотности фотонов;
впервые для лазеров на основе КТ InAs экспериментально установлена зависимость спектров фактора уширения спектральной линии от температуры до порога возникновения лазерной генерации;
- впервые теоретически и экспериментально исследована зависимость коэффициента компрессии усиления в зависимости от выходной мощности в лазерах на основе КТ InAs.
Практическая значимость работы заключается в том, что полученные результаты могут быть использованы для оптимизации пороговых и иных характеристик полупроводниковых лазеров. Найдены химические составы слоев в системе материалов AlInGaAsP на подложке GaAs, которые позволяют сформировать асимметричные потенциальных барьеры для носителей заряда обоих типов. Использование асимметричных потенциальных барьеров по обе стороны активной области полупроводникового лазера позволяет улучшить основные параметры прибора, а именно понизить пороговый ток, увеличить дифференциальную эффективность, уменьшить внутренние оптические потери, а также повысить температурную стабильность этих параметров. Показано, что величина а-фактора может быть уменьшена за счет снижения величины отношения оптических потерь к максимальному усилению на основном оптическом переходе, а также увеличения энергетического разделения между основным и возбужденным переходами. Уменьшение фактора уширения линии с ростом температуры на фиксированной длине волны в спектральном диапазоне основного оптического перехода может быть использовано для достижения равного или близкого нулю значения а-фактора в одночастотных лазерах.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
В лазерных структурах в системе материалов AlInGaAsP на подложке GaAs возможно эпитаксиальное формирование асимметричных барьерных слоев и подавление с их помощью паразитной рекомбинации, обусловленной биполярным заселением волновода электронами и дырками.
-
В лазерах на основе квантовых точек InAs зависимость фактора уширения спектральной линии от тока в основном определяется ростом концентрации носителей на первом возбужденном уровне квантовых точек.
-
В лазерах на основе квантовых точек InAs значение а-фактора (фактора уширения спектральной линии) возрастает с ростом длины волны в спектральном диапазоне основного оптического перехода, а температурная зависимость спектра а-фактора определяется температурной зависимостью ширины запрещенной зоны активной области.
4. В лазерах на основе квантовых точек InAs коэффициент компрессии
усиления уменьшается с ростом мощности лазерного излучения и определяется
временем релаксации носителей заряда на основное состояние квантовых
точек.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XV международном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 2011); X Российской конференции по
физике полупроводников (Нижний Новгород, 2011); Международном симпозиуме «Days of Russian Science» (Варшава, Польша, 2011); XXIII всероссийской молодёжной конференции по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, 2011); 15-й международной конференции «Laser Optics» (Санкт-Петербург, 2012); 20-м и 21-м Международных симпозиумах "Nanostructures: Physics and Technology" (Нижний Новгород, 2012 г., Санкт-Петербург, 2013 г.); Российской молодёжной конференция по физике и астрономии (Санкт-Петербург, 2012); 3-м Всероссийском симпозиуме «Полупроводниковые лазеры: физика и технология» (Санкт-Петербург, 2012); Симпозиуме Международного общества оптики и фотоники (SPIE) «SPIE Photonics Asia» (Пекин, Китай, 2012 г.); Международной конференции по нелинейной оптике, лазерным применениям и технологии «ICONO/LAT» (Москва, 2013).
Публикации. Основные результаты, содержащиеся в диссертации, опубликованы в 20 печатных работах, в том числе в 12 научных статьях (из них 8 в российских и 4 в иностранных научных журналах, входящих в перечень ВАК) и в материалах 8 научных конференций.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, а также списка цитируемой литературы.
