Динамические, шумовые и спектральные характеристики лазеров на квантовых точках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

я,

КОВШ Алексей Русланович

Динамические, шумовые и спектральные характеристики

лазеров на квантовых точках

специальность: 01.04.10 - физика полупроводников

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

2 3 ИЮН 2011

Санкт-Петербург

2011

4851039

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Санкт-Петербургском Академическом университете -научно-образовательном центре нанотехнологий РАН

Научный консультант:

член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук Жуков Алексей Евгеньевич

Официальные оппоненты:

член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук

Сибельдин Николай Николаевич

доктор физико-математических наук, профессор

Красильник Захарий Фишелевич

доктор технических наук, профессор

Андреев Вячеслав Михайлович

Ведущая организация: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И.Ульянова (Ленина)»

Защита состоится "29" июня 2011 г. в 15-00 час. на заседании объединенного совета по защите докторских и кандидатских диссертаций ДМ 002.269.01 при Учреждении Российской академии наук Санкт-Петербургском Академическом университете -научно-образовательном центре нанотехнологий РАН по адресу: 194021, Санкт-Петербург, ул. Хлопина д.8, корп.З.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПб АУ НОЦНТ РАН. Автореферат разослан "26" мая 2011 г.

Ученый секретарь объединенного совета ДМ 002.269.01

Л

доктор физико-математических наук В.Г.Дубровский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. В последние годы объем информации, передаваемой между компьютерами, продолжает быстро расти. По имеющимся оценкам с 2005 по 2009 год мировой трафик вырос 2 до 9 петабайт/месяц. Медные линии уже не справляются с увеличивающимися требованиями к ширине полосы передачи данных. В связи с этим, сети следующего поколения будут базироваться на оптических каналах связи. Таким образом, оптическая передача информации является одной из наиболее перспективных областей применений полупроводниковых лазеров.

В настоящее время в сетях передачи данных преимущественно используются лазеры с распределенной обратной связью на квантовых ямах. Однако такие лазеры обладают рядом внутренне присущих недостатков, в числе которых низкая температурная стабильность, влияние на работу лазера оптической обратной связи, вызванной отражением излучения от оптоволокна, изменение длины волны излучения при модуляции током, сложность изготовления, в особенности для высокоскоростной многоканальной связи. Компенсация этих недостатков приводит к сложности изготовления лазерных модулей и препятствует их широкому внедрению.

К моменту начала настоящей работы теоретически было предсказано, что избежать многих недостатков лазеров на основе квантовых ям позволяет использование лазеров с активной областью на основе нульмерных наноструктур -квантовых точек (КТ). В связи с этим в качестве объекта исследования были выбраны лазеры на основе самоорганизующихся КТ в системе материалов 1пОаА1Аз на подложках ОаАв, излучающие в спектральном диапазоне около 1.3 мкм.

Физика и технология приборов на основе КТ является одной из наиболее бурно развивающихся областей современной электроники. Вскоре после реализации первого лазера на КТ [1*] была экспериментально продемонстрирована возможность достижения низкопороговой генерации, в том числе в непрерывном режиме, показана возможность достижения длины волны генерации в диапазоне оптической связи, а также достигнут значительный прогресс в области теоретического описания свойств лазеров на КТ [2*]. Однако не было достигнуто комплексного понимания взаимосвязи приборных характеристик между собой и с фундаментальными физическими свойствами КТ. В результате улучшение одного приборного параметра (например, снижение пороговой плотности тока) сопровождалось ухудшением других (например,

резким уменьшением эффективности). Более того, такие важные для приборных применений параметры, как динамические, шумовые и, отчасти, спектральные характеристики оставались вне исследований. Во многих случаях, наблюдаемые свойства структур определялись не физическими свойствами КТ, а невоспроизводимостью ростовых режимов, низким качеством интерфейсов, наличием дефектов и дислокаций.

Основной целью работы являлось комплексное исследование динамических, шумовых и спектральных характеристик лазеров на основе квантовых точек, определение их взаимосвязи с фундаментальными физическими свойствами квантовых точек, оптимизация приборных характеристик, а также разработка на основе полученных знаний нового поколения оптоэлектронных приборов с улучшенными по сравнению с существующими аналогами характеристиками.

Методы исследования. Лазерные структуры выращивались методом молекулярно-пучковой эпитаксии с использованием оборудования промышленного класса, что обеспечивает высокое кристаллическое и оптическое совершенство структур, а также высокую воспроизводимость результатов, и дает возможность систематически изучать влияние параметров массивов квантовых точек, определяющих их фундаментальные свойства, на характеристик приборов на их основе. Для изготовления лазеров на квантовых точках использовалась оптическая и электронная литография и плазмохимическое травление. Исследуемые приборные параметры лазеров включали их ватт-амперные характеристики, спектры усиления и генерации, деградационные, модуляционные и шумовые характеристики.

Научные положения, выносимые на защиту 1. О компрессии усиления.

Лазеры на квантовых точках характеризуются, по сравнению с лазерами на квантовых ямах, сильной компрессией оптического усиления с ростом концентрации фотонов в резонаторе. Это приводит к сильному демпфированию релаксационных колебаний, насыщению интенсивности генерации через основное состояние, уширению спектра лазерной генерации, возникновению генерации через возбужденное состояние при увеличении тока накачки.

2. О влиянии насыщенного усиления.

В лазерах на квантовых точках увеличение насыщенного усиления приводит к снижению фактора уширения линии, уменьшению его зависимости от тока, а также предотвращению генерации через возбужденное состояние вплоть до токов, многократно превышающих порог генерации.

3. О модулированном легировании.

Лазеры на квантовых точках с модулированным легированием акцепторной примесью обладают увеличенной по сравнению с нелегированными структурами температурной стабильностью дифференциального усиления, эффективности модуляции и фактора уширения линии. 4.0 сверхшироких спектрах усиления и генерации.

В лазерах на основе нескольких слоев квантовых точек, центральная длина волны которых преднамеренно меняется от слоя к слою, уже при малых плотностях тока накачки достигаются сверхширокие спектры усиления и генерации, перекрывающие диапазон длин волн от основного до возбужденных оптических переходов. 5.0 шуме интенсивности продольных мод.

В лазерах на квантовых точках относительный шум интенсивности продольных мод мал по сравнению с лазерами на квантовых ямах. Это позволяет использовать отдельные продольные моды для безошибочной передачи данных с высокой скоростью.

Научная новизна работы состоит в следующем.

- Впервые установлена причина возникновения одновременной генерации через основное и возбужденное состояния квантовых точек при больших токах инжекции и сформулированы условия сохранения генерации на основном состоянии вплоть до высоких выходных мощностей.

- Впервые исследовано явление компрессии усиления в лазерах на квантовых точках, его взаимосвязь с демпфированием релаксационных колебаний, уширением спектров лазерной генерации, уровнем шумов, определен коэффициент компрессии усиления.

- Впервые исследовано влияние модулированного легирования квантовых точек примесью р-типа на температурную стабильность модуляционных характеристик и фактора уширения линии, продемонстрирован эффект уменьшения их температурной зависимости.

- Впервые проведены систематические исследования зависимости эффективности модуляции и фактора уширения линии от числа слоев квантовых точек в активной области. Впервые обнаружен и объяснен эффект уменьшения паразитного влияния оптической обратной связи в лазерах на квантовых точках.

- Впервые предложен метод достижения сверхшироких однородных спектров усиления и лазерной генерации с помощью нескольких слоев квантовых точек, центральная длина волны которых преднамеренно меняется от слоя к слою.

- Впервые показано, что относительный шум интенсивности отдельных продольных мод в лазерах на квантовых точках мал, и продемонстрирована возможность использования продольных мод в качестве отдельных каналов для параллельной передачи данных.

Таким образом, в ходе работы проведено комплексное исследование приборных характеристик лазеров на основе квантовых точек, выявлены их особенности, обусловленные фундаментальными физическими свойствами самоорганизующихся квантовых точек, а также определены методы оптимизации приборных характеристик путем целенаправленного изменения свойств активной области и конструкции лазеров.

Практическая значимость работы состоит в том, что в ней:

- Впервые реализованы сверхмощные лазеры на квантовых точках (16 Вт в многомодовом лазере и 850 мВт в пространственно-одномодовом лазере) с длиной волны свыше 1.2 мкм и продемонстрирована их высокая надежность (срок службы более миллиона часов).

- Впервые продемонстрированы одночастотные лазеры на квантовых точках с распределенной обратной связью с длиной волны в диапазоне 1.3 мкм, которые могут быть использованы в качестве оптического источника, работающего без системы термостабилизации в оптоволоконных сетях передачи информации средней дальности, обеспечивая темнературно-стабильную (25-85°С) безошибочную передачу данных со скоростью 10 Гбит/с.

- В лазерах на квантовых точках продемонстрирован эффект уменьшения влияния паразитной обратной связи, который позволяет реализовать ввод излучения в волокно без оптического изолятора и тем самым упростить лазерный модуль.

Продемонстрирована передача данных на расстояние 20 км со скоростью 10 Гбит/с без оптических изоляторов.

- Разработаны мощные (>200 мВт) одночастотные лазеры, перестраиваемые в широком (>160 им) диапазоне длин волн, а также лазеры со сверхширокими (> 75 им) спектрами генерации и высокой спектральной плотностью мощности излучения (>10 мВт/им).

- Продемонстрирована возможность использования многочастотного лазера на квантовых точках, обладающего низким шумом отдельных продольных мод, в качестве многоканального оптического передатчика в будущем поколении систем со спектральным уплотнением каналов, обеспечивающих скорость передачи данных > 500 Гб/с.

Таким образом, в ходе работы разработана технология и продемонстрированы лазеры на квантовых точках спектрального диапазона 1.2-1.36 мкм с рекордными характеристиками, превосходящими существующие аналоги, перспективные для высокоскоростной оптической передачи данных, а также для медицинских целей, удвоения частоты, спектроскопии, атмосферного мониторинга и других применений.

В результате диссертационной работы сформировалось новое научное направление в физике полупроводников - физика и технология лазеров на квантовых точках, управление их приборными характеристиками и их использование для высокоскоростной оптической передачи данных.

Апробация работы. Результаты, вошедшие в диссертационную работу, докладывались и обсуждались на Всероссийских и международных конференциях и симпозиумах: 9-15 Международных симпозиумах "Наноструктуры: Физика и Технология" (Санкт-Петербург, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005, 2007); Международных конференциях Западная фотоника (Сан Хосе, США 2006, 2007, 2008, 2009, 2010); Международных конференциях Европейская фотоника (Страсбург, Франция, 2004; Мюнхен, Германия, 2007); 25 - 28 Международных конференциях по физике полупроводников (Осака, Япония, 2000; Эдинбург, Великобритания, 2002; Флагстафф, США, 2004, Вена, Австрия 2006); 31 Европейской конференции по оптической коммуникации (Глазго, Шотландия, 2005); 12 Международной конференции по микроволновому излучению и телекоммуникации (Севастополь, Украина, 2002); Конференциях по лазерам и электрооптике (CLEO) (Сан Франциско,

США, 2004; Балтимор США 2005; Лонг Бич США 2006); 5 Белорусско-Российском семинаре «Полупроводниковые лазеры и системы" (Минск, Беларусь, 2005); 19 международной конференции по полупроводниковым лазерам (Шимане, Япония, 2004); 29 ежегодной конференции по волоконно-оптической связи (Лос-Анджелес, США, 2004); 2 Международной конференции по полупроводниковым квантовым точкам (Токио, Япония, 2002); 12 Международной конференции по динамике неравновесных носителей в полупроводниках (Санта-Фе, США, 2001); Международном симпозиуме по электронным приборам и материалам (Тайпей, Тайвань, 2002). Результаты исследований опубликованы в 65 научных статьях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 частей и заключения, содержит 254 страницы текста, включая 4 таблиц, 72 рисунка и список литературы из 91 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава «Мощностные характеристики лазеров на квантовых точках и их надежность» посвящена исследованию мощностных и деградационных характеристик лазеров на квантовых точках InAs/InGaAs/GaAs, излучающих в оптическом диапазоне около 1.3 мкм.

В первом разделе рассмотрены особенности технологии синтеза структур с квантовыми точками (КТ) на промышленных установках молекулярно-пучковой эпитаксии. Квантовые точки формировались на подложках GaAs путем заращивания начальных островков InAs, сформированных в режиме роста Странски-Крастанова, тонким слоем InGaAs. Показано, что за счет оптимизации параметров осаждения КТ и усовершенствования конструкции установки Riber 49 возможно достижение высокой однородности массива КТ по пластине: изменение длины волны максимума пика фотолюминесценции составляет менее 5 нм в пределах 3 дюймовой подложки. Также продемонстрирована высокая воспроизводимость результатов. При одинаковых параметрах роста были синтезированы четыре номинально одинаковые структуры, причем в промежутках между каждым последующим ростом проводилось от 100 до 150 других технологических процессов. Была продемонстрирована

- /, мА 240

220

200

180

160

1150 1200 1250 1300 1350 « 50 Ю0 150 200 250

Длина волны им Ток накачки /, мА

Рис. 1. (а) Спектр лазерной генерации, на котором видна линия, соответствующая основному состоянию (ОС) и возбужденному состоянию (ВС) квантовых точек; (б) полная оптическая мощность (сплошная линия), мощность компоненты, соответствующей ОС (черные кружки) и ВС (белые кружки). Пороговые токи генерации на ОС (/n,GS) и ВС (/thES) показаны вертикальными стрелками, уровень насыщения мощности основного состояния Pos " показан горизонтальной стрелкой.

-Полная мощность

• Доля ОС о Доли ВС

воспризводимость длины волны максимума пика излучения не хуже 0.4%, а полуширины спектра не хуже 6%.

Во втором разделе исследована стабильность генерации через основное состояние КТ. Было обнаружено, что при увеличении тока накачки в спектрах генерации лазеров на КТ, изначально излучавших на основном оптическом переходе, возможно возникновение полосы генерации, длина волны которой соответствует возбужденному оптическому переходу (рис. 1,а). Мощность полосы генерации основного состояния линейно возрастает с током до возникновения генерации через возбужденное состояние, после чего насыщается и с дальнейшим увеличением тока накачки остается приблизительно постоянной (рис. 1,6). Дальнейшее увеличение суммарной мощности излучения происходит благодаря компоненте, соответствующей возбужденному состоянию.

Во втором разделе также представлена теоретическая модель, позволяющая адекватно описать переход к генерации через возбужденное состояние. Модель основана на анализе скоростных уравнений для носителей заряда и фотонов и позволяет определить пороговую плотность тока, соответствующую началу

генерации через возбужденное состояние, максимальную мощность, достижимую на длине волны основного оптического перехода, взаимосвязь этих характеристик с параметрами лазеров на КТ и пути их оптимизации для повышения излучаемой оптической мощности.

Показано, что насыщение мощности лазерной генерации через основное состояние обусловлено конечным количеством КТ, участвующих в генерации, а также сравнительно большим временем релаксации на основное состояние. В свою очередь, ограниченная скорость релаксации на основное состояние приводит к возрастанию концентрации носителей на возбужденном состоянии и, в конечном итоге, к генерации на возбужденном состоянии.

Показано, что одним из ключевых параметров, определяющих возникновение генерации через возбужденное состояние, являются нормированные потери (q), равные отношению общих потерь а к величине насыщенного усиления на основном состоянии (GGssal). При увеличении q пороговая плотность тока для основного состояния (.AhGS) увеличивается, а для возбужденного (Jlhrsj падает. Пересечение зависимостей JthGS и /,hES определяет максимальные потери, ^osmax, при которых генерация на основном состоянии еще происходит. Если удовлетворено условие генерации на основном состоянии (q < <?Gsmax) выходная мощность растет с током

г os

накачки в ограниченном интервале от порогового значения Jt|, до пороговой плотности тока генерации на возбужденном состоянии Вследствие

возникновения генерации на возбужденном состоянии высокая скорость стимулированной рекомбинации на возбужденном состоянии препятствует эффективному заполнению носителями основного состояния. В результате, дальнейшее увеличение тока приводит к приросту мощности с длиной волны излучения, соответствующей переходам на возбужденном состоянии. Мощность излучения на основном состоянии достигает максимального (насыщенного) значения PGSsal при токе JlhES.

В третьем разделе приведены результаты исследования мощных характеристик лазеров на основе КТ, излучающих на основном оптическом переходе. На основе анализа закономерности перехода к генерации через возбужденное состояние сделан вывод, что для подавления генерации через возбужденное состояние необходимо увеличение числа слоев КТ для увеличения насыщенного усиления, уменьшение внутренних потерь, а также использования

L24 1.26 1.28 65 С Длина полны, мкм

2 20

1.24 1.26 1.28 85 С Длина полны, мкм

о

Н 20

О

0 ---'—--'---"—•—1—

0 500 1000 1.500 2000 Длительность испытания, часы

Рис. 2. Изменение мощности, излучаемой группой лазеров, со временем испытаний по ускоренному старению при 65 и 85°С. На вставках - спектры генерации до и после испытаний при 85°С.

достаточно больших длин резонатора. Показано, что оптимизация активной области и конструкцию лазера в соответствии с предсказаниями развитой модели, позволяет в непрерывном режиме генерации при комнатной температуре достичь значения дифференциальной эффективности 88%, выходной мощности 16 Вт в многомодовом лазере с широким полоском и 850 мВт в пространственно-одномодовом лазере. При этом лазерная генерация остается в пределах оптического перехода основного состояния с длиной волны около 1.3 мкм.

В четвертом разделе рассмотрена надежность лазеров на KT. Пространственно-одномодовые лазеры (X— 1.27 мкм) были подвергнуты испытанию при повышенных температурах на постоянном токе 350 мА (рис. 2). В ходе испытания не было выявлено внезапной деградации, а имело место незначительное постепенное снижение выходной мощности с течением времени испытания. Время достижения критерия отказа определялось с помощью линейной экстраполяции наблюдаемого хода временной зависимости выходной мощности в область больших значений времени. Затем находилось зависящее от температуры испытания среднее время до отказа <Т> для группы лазеров. С помошью подгонки значений <7>, полученных при различных температурах, к активационной зависимости <Т>~ехр(ЕА/кТ) (здесь Т - температура) было определено значение энергии активации ЕА равное 0.79 эВ. Это позволило

оценить среднее время до отказа при нормальных условиях эксплуатации равным 1.2106 часов.

Проведенные исследования выявили также полное отсутствие какого-либо изменения спектральных характеристик (длины волны и ширины спектра излучения) КТ в процессе эксплуатации (вставки рис. 2). Это служит доказательством отсутствия сколь либо заметного перемешивания атомов индия и галлия в активной области прибора, которое могло бы происходить в результате воздействия повышенных температур и рекомбинационных процессов.

Таким образом, продемонстрирована высокая однородность и воспроизводимость параметров структур с КТ, синтезируемых методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Показано, что лазеры на КТ спектрального диапазона 1.3 мкм обладают высокой надежностью (срок службы более 100 лет). Возможно подавление перехода к генерации через возбужденное состояние вплоть до высоких токов накачки и достижение высокой выходной мощности на длине волны около 1.3 мкм (16 Вт в многомодовом режиме и 850 мВт в пространственно-одномодовом режиме).

Во второй главе «Динамические характеристики лазеров на квантовых точках» приведены результаты экспериментов по высокочастотной прямой (токовой) модуляции лазеров на КТ, которые позволили выявить особенности динамических характеристик подобных лазеров, а также определить пути их оптимизации для достижения высоких значений предельной частоты модуляции.

В первом разделе приведено описание методов исследования динамических характеристик полупроводниковых лазеров, приведены основные формулы, описывающие их модуляционные характеристики. На основе анализа факторов, ограничивающих предельную частоту модуляции (/дав), показано, что для ее увеличения требуется снижение времени жизни фотонов в резонаторе грь за счет увеличения оптических потерь:

= (1).

л

Здесь /г и у - частота и коэффициент демпфирования релаксационных колебаний. Учитывая, что полные оптические потери в лазерах на основе КТ не могут превышать максимальное значение оптического усиления - так называемое насыщенное усиление, сделан вывод, что для реализации высоких скоростей

(Релаксационная частота), ГГц*

Рис. 3. Зависимость коэффициента демпфирования от квадрата частоты релаксационных колебаний при 300К. Наклону зависимости соответствует значение К-фактора 4 не, откуда может быть определен коэффициент компрессии усиления (выражение (2)) - Ю'15 см3.

оптической передачи требуется массив КТ, обладающий высоким насыщенным усилением.

Во втором разделе обобщены результаты экспериментальных исследований лазеров на КТ, работающих в спектральном диапазоне около 1.3 мкм. Показано, что релаксационные колебания в подобных лазерах сильно демпфированы. При этом значение К-фактора, ожидаемое в соответствии с выражением (1), почти на порядок меньше экспериментально измеренного (рис. 3).

Для объяснения подобного поведения впервые применительно к лазерам на КТ введен в рассмотрение эффект компрессии усиления, который состоит в уменьшении усиления и дифференциального усиления при увеличении плотности фотонов в резонаторе и приводит к увеличению /<"-фактора:

g(N)■■

gЛЮ

1 + е5£

, К= 4л2

(2),

где е5 - коэффициент компрессии усиления, go{N) и ап - материальное усиление и дифференциальное усиление при близкой к нулю концентрации фотонов в резонаторе (вблизи порога генерации), у(;г - групповая скорость фотонов.

Коэффициент компрессии усиления в лазерах на КТ спектрального диапазона 1.3 мкм экспериментально определен равным 10"15 см3, что более чем на порядок

превосходит соответствующие значения в лазерах на квантовых ямах и обусловлено относительно медленной релаксацией носителей заряда на основное состояние.

Во втором разделе также приведены результаты исследований амплитудно-частотных характеристик на малом синусоидальном сигнале лазеров с резонатором Фабри-Перо с активной областью на основе пяти рядов КТ. В лазерах длиной 1.9 мм предельная частота модуляции, определяемая значением К-фактора, оценена равной 2.3 ГГц. В более коротких лазерных резонаторах (1 мм) предельная частота модуляции составляет 5.6 ГГц. Полученные значения позволяют сделать заключение о возможности применения исследованных лазеров в системах передачи данных на скоростях несколько Гбит/с. Экспериментально продемонстрирована передача данных с помощью подобных лазеров со скоростью 5 Гб/с.

В третьем разделе главы приведены результаты исследований, направленных на повышение быстродействия лазеров путем оптимизации активной области и конструкции приборов, позволившие впервые осуществить безошибочную передачу данных со скоростью 10 Гбит/с с помощью лазеров на КТ с длиной волны генерации 1.3 мкм. Как следует из выражения (2), предельная частота модуляции, ограниченная значением /¿"-фактора, может быть увеличена за счет использования лазерных резонаторов с меньшим временем жизни фотонов, а также активной области с более высоким дифференциальным усилением. Как отмечалось, уменьшение времени жизни фотонов в резонаторе требует увеличения насыщенного усиления активной области. Это может быть достигнуто использованием в активной области лазера большего числа рядов КТ. При этом также будет происходить увеличение дифференциального усиления.

В связи с этим была проведена оптимизация режимов роста многослойных массивов КТ, излучающих на длине волны около 1.3 мкм. Ранее увеличение числа рядов подобных КТ свыше 5-6 вызывало образование дефектов, связанное с релаксацией упругих напряжений. Нами было показано, что увеличить число рядов ГпАйЛпОаЛа КТ, излучающих на длине волны около 1.3 мкм, вплоть до 10-12 можно при оптимизации толщины спейсерных слоев - прослоек ОаАэ, разделяющих ряды точек. Определена оптимальная толщина спейсеров (около 30 нм). Меньшая толщина спейсеров приводит к ухудшению структурного и оптического качества таких многослойных массивов КТ, в то же время увеличение толщины вызывает снижение фактора оптического ограничения.

В экспериментах по высокоскоростной передаче данных нами были исследованы лазеры на основе 10-слойных массивов КТ ГлАБ/ТпваАз. Увеличение числа слоев КТ позволило достичь предельной частоты модуляции на малом сигнале 7 Ггц, что заметно превышает соответствующее значение, полученное в лазерах на основе 5-6 рядов КТ. С помощью подобных лазеров продемонстрирована безошибочная передача (вероятность появления ошибки ВЕЯ = 10~12) на скорости 10 Гб/с. Также показано, что с ростом температуры вероятность ошибочной передачи с помощью исследуемых лазеров возрастает (до Ю"8 при 70°С).

В четвертом разделе приведены результаты исследований, направленных на повышение температурной стабильности динамических характеристик лазеров на КТ. Был использован метод модулированного легирования активной области акцепторной примесью, который позволяет компенсировать процесс термического выброса носителей заряда с дырочных уровней КТ. С помощью использования данного метода было достигнуто значительное увеличение характеристической температуры вплоть до практически полной температурной независимости порогового тока (Г0 = оо) и дифференциальной эффективности в диапазоне температур 5 - 75 С.

Для исследования влияния р-легирования на динамические свойства лазеров нами были выращены и изготовлены одинаковые по структуре слоев и конструкции лазеры без легирования и с /7-легированием (12 акцепторных атомов на одну КТ). Предельная частота модуляции в лазерах с модулировано-легированной активной областью при комнатной температуре составляет 7.4 ГГц, что хорошо согласуется с величиной (7 ГГц), измеренной в нелегированном аналоге. Таким образом, в лазерах на КТ независимо от легирования основным фактором, ограничивающим предельную частоту модуляции, остается высокое значение коэффициента компрессии усиления, обусловленное сравнительно большим временем захвата носителей заряда.

Для более детального исследования влияния р-легирования на динамические характеристики нами были проведены измерения частоты релаксационных колебаний в температурном интервале 20-80°С (рис. 4). Наклон зависимости частоты релаксационных колебаний от корня квадратного из нормированного тока накачки, определяющий эффективность модуляции, пропорционален дифференциальному усилению До:

где Рт0() - эффективный объем оптической моды, I - стационарный ток инжекции, /,/, - пороговый ток, е - заряд электрона.

II о р м а л из о в а н н ы й ток (/-/,Л) мЛ

Рис. 4. Зависимость частоты релаксационных колебаний от тока при различных температурах, определенная из амплитудно-частотной характеристики на малом сигнале, для нелегированных и ¿»-легированных лазеров на КТ.

Экспериментально показано (рис. 4), что эффективность модуляции нелегированных лазеров имеет сильную температурную зависимость, уменьшаясь от 0.6 до 0.28 ГГц/мА1'2 при увеличении температуры от 20 до 80°С. В то же время в ¿»-легированных лазерах соответствующая величина уменьшается лишь в пределах от 0.47 до 0.38 ГГц/мА1Л. Соответственно, дифференциальное усиление уменьшалось от 1.0х10"14 до 2.9х10"15 см2 в нелегированной активной области, тогда как в случае р-легированной активной области дифференциальное усиление снижалось лишь от 9.8х10"15 до 7.7х 10"15 см2. На основании проведенных исследований можно заключить, что модулированное легирование КТ примесью р-типа позволяет улучшить динамические характеристики лазеров при повышенных температурах вследствие более слабого, по сравнению с нелегированными структурами, уменьшения дифференциального усиления с ростом температуры.

О 20 40 60 80 100 Ток, мА

Рис. 5. Ватт-амперные характеристики лазера с распределенной обратной связью в непрерывном режиме работы при температурах в интервале 25 - 70°С. На вставке показан спектр лазерной генерации при 25"С и токе накачки 50 мА.

-24 -22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 Мощность, ,|Бм

Рис. 6. Зависимость вероятности ошибки от мощности излучения на 10Гбит/с при 25°С (кружки) и 70°С (треугольники) при непосредственной стыковке лазера и фотодиода (сплошная линия) и через волокно длиной 20 км (пунктирная линия).

В пятом разделе данной главы приведены результаты экспериментального исследования возможности реализации безошибочной передачи на скорости 10 Гб/с при повышенных температурах с помощью лазеров на КТ с р-легированием активной области. В экспериментах была использована структура на основе 10 рядов КТ ГпАзЛпОаАз, из которой были изготовлены одночастотные лазерные диоды с распределенной обратной связью. Длиной резонатора составила 600 мкм, на обе грани наносились высокоотражающие покрытия. Ватт-амперные характеристики в непрерывном режиме (рис. 5) демонстрируют слабую температурную зависимость, что является результатом р-легирования активной области. В зависимости от периода дифракционной решетки длина волны генерации составила 1305-1365 нм при 25°С (вставка рис. 5).

Измерения вероятности появления ошибки при скорости передачи 10 Гб/с проводились в широком температурном диапазоне как при регистрации вплотную к рабочему зеркалу лазера, так и на выходе волоконно-оптической линии связи длиной 20 км. Как видно из рис. 6, при температурах вплоть до 70°С возможно реализовать безошибочную передачу на скорости 10 Гб/с, в том числе и при дальности связи 20 км.

В лазере с распределенной обратной связью с отражающим покрытием, нанесенным только на одну заднюю грань, было достигнуто трехкратное (до 0,34 Вт/А) увеличение дифференциальной эффективности по сравнению с лазером с двумя отражающими гранями и была продемонстрирована безошибочная передача данных вплоть до температуры 85°С как при непосредственной стыковке лазера и фотодиода так и через волокно длиной 20 км.

Полученные результаты показывают, что лазеры на основе многослойных массивов КТ спектрального диапазона 1.3 мкм с модулированным легированием активной области акцепторной примесью перспективны для использования в высокоскоростных сетях оптической передачи на короткие и средние расстояния без системы температурной стабилизации.

Третья глава «Исследование фактора уширения линии генерации (а-фактора) в лазерах на квантовых точках» посвящена анализу фактора уширения линии и эффекту уменьшения паразитного влияния оптической обратной связи в лазерах на КТ.

В первом разделе дано определение а-фактора, а также приведен краткий обзор экспериментальных методов его измерения. Указано, что желательным является достижение низких значений а-фактора в широком диапазоне температур и токов, т.к. а-фактор влияет на уширение линии одночастотной лазерной генерации, паразитную частотную модуляцию (чирп), образование отдельных каналов генерации (филаментацию), нестабильность частоты следования импульсов (джиттер), стабильность лазерной генерации по отношению к паразитной оптической обратной связи. Приведены данные теоретических исследований, которые предсказывают близкое к нулю значение а-фактора в лазерах на основе КТ в отличие от лазеров на квантовых ямах.

Во втором разделе приведены результаты экспериментального определения фактора уширения линии генерации в лазерах на КТ спектрального диапазона 1.3 мкм. Детально изучены зависимости а-фактора от тока в лазерах, содержащих 3, 5 и 10 слоев КТ (рис. 7).

В лазерах с тремя слоями КТ а-фактор на пороге генерации имеет значение 2.4 и резко возрастает начиная с токов выше двух пороговых до приблизительно 11 при 1= ЗДн. В лазерах на основе пяти рядов КТ а-фактор на пороге имеет такое же значение 2.4, но его рост с током более медленный (при /= 3/ц, значение а-фактора

10

51 "?" 6

4

2

Рис. 7. Зависимость а-фактора от тока накачки нормированного на пороговый ток при 20°С в лазерах с разным числом рядов квантовых точек в активной области.

около 3.5) и становится существенным при превышении пяти пороговых значений (а =11 при /=8/ц,). В противоположность этому в лазере на основе 10 рядов КТ а-фактор на пороге имеет меньшее значение 1.4 и демонстрирует лишь незначительное возрастание с ростом тока, оставаясь менее 4 вплоть до 12-кратного превышения порога. Таким образом, показано, что увеличение насыщенного усиления при увеличении числа рядов КТ позволяет в существенной степени уменьшить значение фактора уширения линии и предотвратить его возрастание с током.

В третьем разделе приведены результаты исследований влияния модулированного легирования КТ акцепторной примесью на температурную зависимость фактора уширения линии генерации. Проведено сравнение подобных лазеров с их нелегированными аналогами. Продемонстрировано, что хотя в нелегированных лазерах на основе КТ а-фактор, измеренный при комнатной температуре, слабо зависит от тока накачки и остается весьма низким (1.7 - 3), при увеличении температуры а-фактор начинает зависеть от тока более сильно. Чем выше температура наблюдения, тем раньше начинается участок резкого возрастания а-фактора с током (рис. 8). Кроме того, значение а-фактора, измеренное при малых токах также возрастает с ростом температуры - от 1.7 до 6.2 в диапазоне температур

—I—■—1— -1—•—I—'—1—>—Г

А ■

▲ • 10 слоев КТ ■ 5 слоев КТ А 3 слоя КТ

▲ ■

С- • •

К. ж_ Л _______|._,.„,„,|.

2 4 6 8 10 12 Ток накачки II /1Ь

20 - 80°С. В противоположность этому поведению, в лазерах с р-легированной активной областью а-фактор во всем исследованном диапазоне температур 20 - 80°С

15

си

10

о 5

н

в

а

СЗ 12

-в» 8

Нслегированныс КТ * • 20°С '

• А 40°С

¥ 60°С

V* V . А ■ 80°С

40

80

120

160

I »

80

Ток, мА

Рис. 8. Зависимость а-фактора от тока накачки при различных температурах для лазеров с нелегированными (а) и р-легированными (б) КТ.

слабо зависит как от тока накачки, так и от температуры, оставаясь практически постоянным и равным около 3.2. Поскольку а-фактор обратно пропорционален дифференциальному усилению, данный результат согласуется с увеличением температурной стабильности дифференциального усиления в легированных структурах.

В четвертом разделе исследовано влияние паразитной оптической обратной связи на характеристики лазеров на КТ. Известно, что при непосредственной стыковке передающего лазера с оптоволокном часть излучения отражается и попадает обратно в лазер, что может вызвать срыв когерентности. В свою очередь, срыв когерентности приводит к существенному росту шума относительной интенсивности лазерного излучения, и, как результат, к уменьшению отношения сигнал-шум при высокочастотной модуляции. Для предотвращения этого негативного явления используются оптические развязки (изоляторы), что усложняет конструкцию передающего лазерного модуля.

С помощью изменения степени обратной связи был экспериментально исследован порог срыва когерентности в лазерах на КТ спектрального диапазона 1.3 мкм. Показано, что исследуемые лазеры обладают существенно большим порогом срыва когерентности (-8 дБ) по сравнению в лазерах на основе квантовых ям (-30 дБ) данного спектрального диапазона. Большой порог срыва когерентности может быть объяснен эффектом демпфирования релаксационных колебаний (глава 2) и малым значением а-фактора [3*], который в исследуемых лазерах составил 1.6.

Порог срыва когерентности был также исследован в лазерах на КТ с распределенной обратной связью с р-легированной активной областью. Исследования проводились при скорости прямой модуляции 10Гб/с при измерении вплотную к фотодиоду и с использованием оптоволокна длиной 20 км. В обоих случаях пороговые значения обратной связи, при которых происходит срыв когерентности составил -12 дБ, что согласно стандартной спецификации позволяет использовать данные лазеры без дополнительных оптических изоляторов.

Достигнутые результаты позволяют рассчитывать на существенное упрощение технологии изготовления лазерных излучателей для оптических линий связи диапазона 1.3 мкм и соответствующее снижение их стоимости за счет отказа от оптических развязок.

В четвертой главе «Полупроводниковые лазеры на основе квантовых точек со сверхширокими спектрами усиления и генерации» приведены результаты исследований возможности достижения сверхшироких спектров усиления и генерации с помощью специальных технологических методов конструирования массивов самоорганизующихся КТ.

В первом разделе обоснована актуальность разработки широкополосных светоизлучающих приборов (перестраиваемых в широком диапазоне лазеров и многочастотных лазеров с широким спектром генерации).

Во втором разделе показано, что массивы самоорганизующихся КТ могут, при определенной модификации их свойств, демонстрировать значительно более широкие, по сравнению с квантовыми ямами, спектры усиления. На основе анализа плотности состояний квантовых ям показано, что в таких лазерах имеет место универсальная связь между шириной спектра усиления и плотностью накачки, причем достижение широких спектров усиления в структурах на основе квантовых ям

требует значительных накачек. В отличие от квантовой ямы, зависимость ширины спектра оптического усиления от плотности тока накачки в случае массива КТ не носит универсального характера и определяется в существенной степени неоднородным уширением, связанным с разбросом точек по размерам. Дисперсия размеров островков и других параметров, влияющих на положение уровня размерного квантования, приводит к тому, что спектр оптического усиления массива КТ может составлять несколько десятков нанометров только с учетом основного оптического перехода. Кроме того, невысокая поверхностная плотность массива самоорганизующихся КТ позволяет достигать полного заселения основного уровня энергии уже при сравнительно низких накачках.

ВС2

Энергия

Рис. 9. Схема формирования сверхширокого спектра усиления с помощью двух неидентичных массивов квантовых точек.

Дополнительные возможности уширения плотности состояний, а следовательно и спектра усиления, открывает использование КТ ¡пАзЛиваАз спектрального диапазона 1.3 мкм, где наблюдается лестница возбужденных оптических переходов, следующих друг за другом приблизительно на одинаковом энергетическом состоянии около 70 мэВ. Однако, сравнительно большое энергетическое разделение между соседними оптическими переходами формирует заметный провал в спектре усиления на промежуточных энергиях (рис. 9).

Нами предложен метод, который позволяет формировать широкие спектры усиления и при этом избегать образования значительных спектральных провалов. Метод основан на использовании нескольких слоев КТ, центральная длина волны которых преднамеренно меняется от слоя к слою (рис. 9). Метод наиболее просто может быть реализован с использованием многослойных массивов КТ ТпАэЛпОаАз, при осаждении которых толщина или химический состав покрывающей квантовой ямы ГпОаАв варьируется от слоя к слою. Показано, что использование предложенного метода позволяет управлять формой спектра усиления и достичь большой ширины спектра усиления, перекрывающей спектральный диапазон от длины волны основного оптического перехода до длины волны второго возбужденного оптического перехода, при высокой однородности спектра.

X

ь о

А Н и о ЕВ еа К и IS V

н

X

К

ВС 2

ВС1

175niv

ОС

1100 1150 1200 1250

Длина волны, им

1300

700

600 н

со

500 £

j

400 н

о

10« я

а

200 о

а

100

Рис. 10. Спектры лазерной генерации перестраиваемого лазера при различных углах дифракционной решетки и зависимость выходной мощности в непрерывном режиме от длины волны генерации.

В третьем разделе приведены результаты исследований лазеров с широким диапазоном внешней перестройки на основе массивов КТ с преднамеренно внесенной разупорядоченностью. Спектры генерации перестраиваемого лазера, записанные при различных углах дифракционной решетки, приведены на рис. 10. Достигнут диапазон непрерывной перестройки от 1115 до 1290 нм, охватывающий области основного, первого и второго возбужденных оптических переходов. Таким образом, ширина спектра усиления составляет не менее 175 нм. Максимальная выходная мощность составила 632 мВт, что является наивысшим уровнем мощности, когда-либо

сообщавшимся для перестраиваемого лазера этого спектрального диапазона. В спектральном диапазоне шириной 160 нм мощность излучения превышает 200мВт.

В четвертом разделе представлены результаты исследований инжекционных лазеров на основе КТ со сверхширокими спектрами генерации. Представлена модель, которая позволяет аналитически описать эффект уширения спектров генерации. В основе модели лежит предположение, что ток рекомбинации, который может протекать через одну КТ, не может превышать некоторого максимального значения, ограниченного темпом заполнения основного состояния точек (темпом релаксации и захвата носителей). Модель позволяет удовлетворительно описать основные экспериментальные факты и, в частности, взаимосвязь между средней спектральной плотностью мощности и шириной спектра генерации. При соответствующей оптимизации конструкции активной области и самого лазерного диода возможно одновременное достижение высокой спектральной плотности мощности (более 10мВт/нм) и большой ширины спектров генерации (более 15 нм). Сопоставление экспериментальных данных и предсказаний модели позволило оценить время заполнения свободного основного состояния квантовых точек около 2.5-3 пс.

г я

я я

я

«

Ра> X

а а

в я

а. =

ч о С

30

20

10

О кв. яма • кв. точки

I

I

ъ

0 20 40 60 80 Плотность тока, кА/см2

Рис. 11. Зависимость ширины линии генерации (на половине высоты) от плотности тока накачки в лазерах с резонатором Фабри-Перо на основе квантовых точек и квантовых ям.

Оптимизация лазеров на КТ, проведенная на основе предсказаний модели, позволила достичь ширины спектра генерации через основное состояние квантовых

точек более 26 нм при средней спектральной плотности мощности 10.2-10.4 мВг/нм. Показано, что в случае лазеров на квантовых ямах достижение таких ширин спектров генерации невозможно, а для достижения ширины линии около 15нм потребует более чем в 20 раз большая накачка (около 75 кА/см2) по сравнению с лазерами на основе квантовых точек (рис. 11).

Показано, что использование нескольких слоев КТ, центральная длина волны которых преднамеренно меняется от слоя к слою, позволяет достичь сверхшироких спектров лазерной генерации (более 75 нм), перекрывающих диапазон длин волны от основного до первого возбужденного оптического перехода (рис. 12). Большая спектральная ширина достигается вследствие перекрытия линий, обусловленных основным и возбужденным оптическими переходами, а высокая однородность спектральной плотности мощности - вследствие примерного уравнивания интенсивностей данных линий при определенном токе накачки.

Длина волны к, нм

Рис. 12. Спектры генерации при различных токах накачки лазера на основе слоев квантовых точек, центральная длина волны излучения которых варьируется от слоя к слою.

Таким образом, массивы квантовых точек чрезвычайно перспективны для реализации на их основе широкополосных источников излучения (перестраиваемых лазеров, многочастотных лазеров) для медицинских применений, многоканальной оптической связи и других целей, где требуется сочетание высокой мощности и широкого оптического спектра.

Пятая глава «Широкополосные лазерные диоды на основе квантовых точек с низким шумом отдельных продольных мод для систем со спектральным уплотнением каналов» посвящена исследованию шумовых характеристик лазеров на КТ, а также их использованию для систем со спектральным уплотнением каналов.

В первом разделе исследуются шумовые свойства отдельных продольных мод лазеров на КТ. Одним из важнейших требований, предъявляемых к лазерному источнику для оптической передачи информации, является низкий шум его относительный интенсивности. В одночастотных лазерах на квантовых ямах, обладающих большим коэффициентом подавления боковых мод (> 40 дБ), значения приведенного шума интенсивности оказываются приемлемо низкими для их использования в системе оптической связи. Однако, когда коэффициент подавления боковых мод уменьшается, т.е. лазер становится многочастотным, приведенный шум интенсивности одной продольной моды возрастает до неприемлемо высоких значений. Например, в типичном лазере на квантовой яме ГиПаАяР среднее значение шума относительной интенсивности (</?/№>) в частотном интервале до 1 ГГц составило около -113 дБ/Гц. Это обусловлено так называемым эффектом биения мод, проявляющемся в случайном перераспределении интенсивности излучения между сосуществующими продольными модами лазерного спектра.

Принципиально иная ситуация имеет место в лазерах на КТ, в которых релаксационные колебания сильно демпфированы (глава 2). В данной работе нами впервые экспериментально продемонстрировано низкое среднее значение шума относительной интенсивности выделенной продольной моды многочастотного лазера на КТ ГпАзЛпОаАэ, которое составило -126 дБ/Гц, что более чем на 10 дБ/Гц ниже значений в лазерах на квантовых ямах. Этот результат может быть объяснен взаимосвязью между демпфированием релаксационных колебаний и флуктуациями плотности фотонов в резонаторе [4*].

Во втором разделе проведен анализ требований предъявляемых к системе передачи данных со спектральным уплотнением каналов на основе многочастотного лазера. На основе анализа зависимости вероятности передачи ошибочных битов от параметров системы показано, что для безошибочной передачи на скорости 10 Гб/с на расстояние 20 км достаточно одновременного достижения мощности одной продольной моды не менее 0.5 мВт, глубины модуляции не менее 5 дБ и среднего

шума интенсивности не хуже -125 дБ/Гц. Таким образом эти требования могут быть удовлетворены с помощью лазеров на основе КТ оптимизированной конструкции.

В третьем разделе исследована возможность высокоскоростной передачи данных с помощью выделенной продольной моды широкополосного лазера на КТ. На рис. 13 (верхняя кривая) показан участок многочастотного спектра излучения исследуемого лазера на КТ в непрерывном режиме. В спектре отчетливо видны продольные оптические моды, разделение между которыми составляет около 0.22 нм. Мощность, приходящаяся на одну продольную моду, в среднем составила 2.7 мВт. Излучение индивидуальной продольной моды выделялось из многочастотного спектра лазерного излучения с помощью внешнего перестраиваемого Фабри-Перо

Рис.13. Исходный спектр генерации Рис. 14. Частотный спектр приведенного шума

(верхняя кривая) и спектр генерации, интенсивности спектрально-выделенной

полученный в результате выделения одной продольной моды (1265.5нм) многочастотного

продольной моды с длиной волны 1263.3 нм КТ лазера. Вставка: глазковая диаграмма при

(нижняя кривая) внешней модуляции со скоростью 10 Гб/сек.

эталона (рис. 13, нижняя кривая). Интегральное значение шума интенсивности в частотном диапазоне 0.001-10 ГГц составило около 0.21%, а соответствующее среднее значение шума относительной интенсивности (<ЯШ>) -126.7 дБ/Гц (рис. 14), что на порядок меньше, чем в случае лазеров на квантовых ямах. Излучение каждой из 10 спектрально выделенных продольных мод было модулировано псевдослучайной двоичной последовательностью с помощью внешнего модулятора. При скорости модуляции 10 Гб/с вероятность появления ошибочных битов (ВЕК) составила менее

10~13 для мод с -7-й по 2-ю. В дальнейшем нами было продемонстрировано 50 продольных мод с интегральным значением шума относительной интенсивности менее 0.2%.

В четвертом разделе рассмотрена оригинальная конструкция системы со спектральным уплотнением каналов, основанная на лазере на КТ (Рис. 15).

Широкополосный спектр лазерного излучения поступает на оптическую интегральную схему, которая состоит из волновода и связанных с ним модуляторов, например, микрокольцевых резонаторов. Каждый модулятор настроен на определенную длину волны (отдельную моду Фабри-Перо лазера). В зависимости от электрического или оптического импульса, поступающего на модулятор, он может или поглощать, или пропускать излучение на данной длине волны, тем самым будет осуществляться модуляция оптического сигнала. Такая схема может быть выполнена на основе одного кремниевого чипа, т.е. будет являться несравненно более компактной и дешевой, чем традиционные системы со спектральным уплотнением каналов, основанные на массиве отдельных лазеров с распределенной обратной связью. Кроме того, подобный подход позволяет преодолеть многие недостатки традиционных источников, в частности, устраняет необходимость индивидуальной настройки и удержания длины волны излучения каждого одночастотного лазера.

в волокно □-►

Рис. 15. Возможная архитектура оптического передатчика со спектральным уплотнением каналов на основе широкополосного многочастотного лазера. В качестве модулятора используется массив с кольцевых резонаторов.

Достигнутые результаты указывают на перспективность использования многочастотных лазеров на КТ в новом поколении компактных и экономичных систем высокоскоростной многоканальной оптической передачи данных. При скорости передачи в 10 Гб/с, достижимой с помощью одной продольной моды, и учитывая, что один лазерный диод способен одновременно излучать по крайней мере

50 продольных мод, обладающих низким шумом интенсивности, совокупная скорость

передачи подобного многоканального источника составит не менее 0.5 Тб/с.

Основные результаты работы

1. Достигнуты высокая однородность и воспроизводимость параметров структур с квантовыми точками, синтезируемых методом молекулярно-пучковой эпитаксии.

2. Показано, что в лазерах на квантовых точках при увеличении тока накачки может происходить насыщение интенсивности излучения на длине волны основного оптического перехода и возникновение линии генерации на длине волны возбужденного оптического перехода. На основе анализа скоростных уравнений показано, что переход к генерации через возбужденное состояние обусловлен относительно медленной скоростью релаксации носителей заряда на основное состояние и их накоплением на возбужденном состоянии. Показано, что порог генерации через возбужденное состояние возрастает при уменьшении оптических потерь и при увеличении насыщенного усиления на основном состоянии.

3. Продемонстрировано, что в лазерах на КТ возможно подавление перехода к генерации через возбужденное состояние вплоть до высоких токов накачки и достижение высокой дифференциальной эффективности 88% и выходной мощности на длине волны около 1.3 мкм (16 Вт в многомодовом режиме, 850 мВт в пространственно-одномодовом режиме).

4. Продемонстрировано, что амплитудно-частотная характеристика лазеров на КТ диапазона 1.3 мкм сильно демпфирована вследствие высокого значения коэффициента компрессии усиления, которое оценено равным 1015 см3 и более чем на порядок превышает типичные значения для лазеров на квантовых ямах. Это обусловлено относительно низкой скоростью захвата носителей заряда на основное состояние КТ.

5. Показано, что для увеличения предельной частоты модуляции, и реализации высоких скоростей оптической передачи в лазерах на основе КТ требуется увеличение насыщенного усиления, что может быть достигнуто увеличением числа слоев с КТ. Проведена оптимизация конструкции многослойных массивов квантовых точек, которая позволила реализовать низкопороговую лазерную генерацию в структурах, содержащих 10 рядов КТ ГпАз/ГпОаАя, излучающих в диапазоне длин волн 1.3 мкм. Продемонстрировано, что увеличение числа слоев

КТ в активной области лазеров с 5 до 10 позволяет увеличить частоту релаксационных колебаний с 5.6 до 7 ГГц. Продемонстрирована безошибочная передача на скорости 10Гб/с при комнатной температуре с помощью лазера на основе 10 рядов КТ.

6. Показано, что в лазерах с КТ модулированное легирование активной области акцепторной примесью позволяет повысить температурную стабильность дифференциального усиления и, как результат, эффективность модуляции по сравнению с нелегированными аналогами. Созданы одночастотные температурно-стабильные лазеры с распределенной обратной связью с модулированным ^-легированием активной области и длиной волны генерации до 1.36 мкм. Продемонстрировано, что подобные лазеры позволяют реализовать безошибочную передачу на скорости 10 Гб/с при повышенных температурах (до 85°С) с дальностью связи до 20 км.

7. Показано, что в лазерах на основе КТ значение фактора уширения линии генерации может быть уменьшено с помощью увеличения числа слоев КТ в активной области. Продемонстрированы рекордно-низкие значения а-фактора (менее 4) при комнатной температуре вплоть до 12-кратного превышения порога лазерной генерации в лазерах спектрального диапазона 1.3 мкм на основе 10 рядов КТ. В то же время показано, что повышение температуры в лазерах с нелегированной активной областью вызывает сильный рост а-фактора особенно при высоких значениях тока накачки.

8. Показано, что модулированное ¿»-легирование активной области лазеров на основе многослойных массивов КТ позволяет достичь высокой температурной и токовой стабильности а-фактора. В лазере на основе 10 рядов КТ с р-легированием достигнуты рекордно-низкие значения а-фактора (3.2) при 80°С и токе, превышающем пороговое значение в 4 раза.

9. В лазерах на основе КТ, благодаря низким значениям а-фактора, продемонстрировано значительное (более 20 дБ) повышение порога срыва когерентности по сравнению с лазерами на основе квантовых ям. При передаче данных на расстояние 20 км со скоростью 10 Гб/с пороговое значения обратной связи, при которых происходит срыв когерентности, составило -12 дБ, что позволяет использовать данные лазеры без дополнительных оптических изоляторов.

10. Предложен метод управления формой спектров усиления лазерных диодов с помощью использования нескольких слоев КТ, центральная длина волны которых преднамеренно меняется от слоя к слою. Экспериментально продемонстрировано, что использование этого метода позволяет уже при малых плотностях тока накачки достичь сверхшироких спектров усиления за счет вклада основного, а также первого и второго возбужденных оптических переходов. Продемонстрирована возможность непрерывной перестройки длины волны пространственно-одномодового лазера на основе подобной активной области в диапазоне длин волн 175 нм. Выходная мощность превышала 200 мВт в данном спектральном диапазоне, максимальная выходная мощность составила более 600 мВт.

11. Развита аналитическая модель для описания эффекта уширения спектра генерации в лазерах на основе КТ, проведена оптимизация активной области и конструкции лазерного диода на основе предсказаний модели. Впервые продемонстрирована многочастотная лазерная генерация через основное состояние массива КТ с шириной спектра более 26 нм при спектральной плотности мощности более 10 мВт/нм. Показано, что использование нескольких слоев КТ, центральная длина волны которых преднамеренно меняется от слоя к слою, позволяет достичь сверхшироких спектров лазерной генерации (более 75 нм), обладающих высокой спектральной однородностью плотности мощности.

^.Продемонстрировано, что шум относительной интенсивности выделенной продольной моды в лазере на КТ составляет менее -125 дБ/Гц и более чем на 10 дБ/Гц ниже значений в лазерах на квантовых ямах. Этот результат может быть объяснен взаимосвязью между демпфированием релаксационных колебаний, которое имеет место в лазерах на КТ, и флуктуациями плотности фотонов в резонаторе. Продемонстрирован лазер на КТ, у которого интегральное значение шума относительной интенсивности составляет менее 0.2% для 50 продольных мод.

13. Экспериментально продемонстрирована безошибочная передача данных (вероятность ошибок < 10''3) со скоростью 10 Гб/с с помощью спектрально-выделенной моды резонатора Фабри-Перо лазера на КТ.

14. Предложена новая конструкция оптического источника для систем многоканальной оптической связи со спектральным уплотнением каналов на

основе лазерного диода на КТ, способного одновременно излучать большое число продольных оптических мод, каждая их которых служит отдельным каналом для передачи данных.

Таким образом, в ходе работы проведено комплексное исследование динамических, шумовых и спектральных характеристик лазеров на основе квантовых точек, определена взаимосвязь приборных характеристик с фундаментальными физическими свойствами квантовых точек, проведена оптимизация активной области, конструкции лазерных диодов и методов их изготовления, которая позволила достичь высокую воспроизводимость характеристик, высокую мощность в сочетании с длиной волны излучения в диапазоне около 1.3 мкм, высокую скорость передачи данных в широком диапазоне температур, высокую устойчивость по отношению к паразитной оптической обратной связи, сверхширокие спектры усиления и генерации. Можно констатировать, что в результате работы создано новое поколения оптоэлектронных приборов с улучшенными по сравнению с существующими аналогами характеристиками.

Список основных публикаций по теме диссертации

1. А. Ф. Цацульников, Н. Н. Леденцов, М. В. Максимов и др., "Фотолюминесценция массивов вертикально связанных напряженных квантовых точек InAs в матрице GaAs(lOO)", Ф777 3 0(10), 1822-1830(1996).

2. А. Е. Жуков, А. Ю. Егоров, А. Р. Ковш и др., "Инжекционный лазер на основе массива вертикально совмещенных квантовых точек InGaAs в матрице AlGaAs", Ф777 31(4), 483-487(1997).

3. V.M.Ustinov, А.Е. Zhukov, A. Yu. Egorov et al., "Extremely low threshold AlGaAs/InGaAs quantum dot injection laser", Inst. Phys. Conf. Ser. No 155(7), 557-560 (1997).

4. А. Ю. Егоров, A. P. Ковш, A. E. Жуков и др., "Термодинамический анализ процесса роста четверных соединений AIIIBV при молекулярно-пучковой эпитаксии на примере соединений GaxIni.xPYAsi.Y" Ф777,31(10), 1153-1157 (1997)

5. С. В. Зайцев, Н. Ю. Гордеев, В. И. Копчатов и др., "Лазеры на квантовых точках: основные компоненты пороговой плотности тока" ФТПЗЦ9), 1106-1108 (1997)

6. Ю. М. Шерняков, А. Ю. Егоров, А. Е. Жуков и др., "Инжекционный гетеролазер с квантовыми точками, работающий в непрерывном режиме при комнатной температуре с выходной мощностью 1 Вт", Письма в ЖТФ, 23(4), 51-54 (1997).

7. А. Р. Ковш, А. Е. Жуков, А. Ю. Егоров и др., "Влияние поверхностной концентрации квантовых точек в активной области на характеристики инжекционных лазеров", ФТП 32(9), 1114-1118 (1998).

8. A. R. Kovsh, А. Е. Zhukov, М. A. Odnoblyudov et al., "Quantum dot laser with high temperature stability of threshold current density", in "Advanced Electronic Technologies and Systems Based on Low-Dimensional Quantum Devices", Kluwer Academic Publishers, ed. by M. Balkanski and N. Andreev, NATO ASI Series 3: High Technology - Vol. 42, pp. 207-208 (1998).

9. A. P. Ковш, A. E. Жуков, А. Ю. Егоров и др., "Особенности усиления в инжекционных лазерах на основе самоорганизующихся квантовых точек", ФТП 33(2), 215-223 (1999).

10. A. R. Kovsh, А. Е. Zhukov, A. Yu. Egorov et al., "Molecular beam epitaxy (MBE) growth of composite (In,Al)As/(In,Ga)As vertically coupled quantum dots and their application in injection lasers", J. Cryst. Growth 201-202(1), 1117-1120 (1999).

11. A. E. Жуков, A. P. Ковш, В.М.Устинов и др., "Характеристики усиления инжекционных лазеров на квантовых точках", ФТП 33(9), 1111-1114 (1999).

12. А. Р. Ковш, Д.А.Лившиц, А.Е.Жуков и др., "Инжекционный гетеролазер на основе квантовых точек с выходной мощностью излучения 3.3 Вт", Письма в ЖТФ 25(11), 41-46 (1999).

13. А. Е. Zhukov, A. R. Kovsh, V. М. Ustinov et al., "Gain characteristics of quantum dot injection lasers", Semicond. Sci. Technol. 14(1), 118-123 (1999).

14. A. P. Ковш, A. E. Жуков, H. А. Малеев и др., "Лазерная генерация с длиной волны излучения в районе 1.3 мкм в структурах на основе квантовых точек InAs", ФТП 33(8), 1020-1023 (1999).

15. Б. В. Воловик, А. Ф. Цацульников, Д. А. Бедарев и др., "Длинноволновое излучение в структурах с квантовыми точками, полученными при стимулированном распаде твердого раствора на напряженных островках", ФТП 33(8), 990-995 (1999).

16. A. R. Kovsh, А. Е. Zhukov, D. A. Livshits et al., "3.5 W CW operation of quantum dot laser", Electron. Lett. 35(14), 1161-1163 (1999).

17.С. С. Михрин, А.Е.Жуков, А. Р. Ковш и др., "Пространственно одномодовый лазер диапазона 1.25-1.28 мкм с квантовыми точками InAs на подложке GaAs", ФТП 34(1), 117-120(2000).

18. А. Ф. Цацульников, Б. В. Воловик, Д. А. Бедарев и др., "Механизмы распада твердого раствора InGaAlAs, стимулированного квантовыми точками InAs", ФТП 34(3), 330-333 (2000).

19. В. М. Устинов, Н.А.Малеев, А.Е.Жуков и др., "Вертикально-излучающие приборы на основе структур с квантовыми точками", Успехи физических наук 171(8), 855-856 (2001).

20.М. Kuntz, N. N. Ledentsov, D. Bimberg et al., "Spectrotemporal response of 1.3 pm quantum-dot lasers",Appl. Phys. Lett. 81(20), 3846-3848 (2002).

21. С. С. Михрин, А.Е.Жуков, A. P. Ковш и др., "Высокоэффективные (>/о>80%) длинноволновые (Я>1.25 мкм) лазеры на основе квантовых точек на подложках GaAs", ФТП т. 36(11), 1400-1406 (2002).

22. A. R. Kovsh, N. A. Maleev, А. Е. Zhukov et al., "InAs/InGaAs/GaAs quantum dot lasers of 1.3 mm range with high (88%) differential Efficiency", Electron. Lett. 38(19), 1104- 1106 (2002).

23. Ch. Ribbat, R. L. Sellin, I. Kaiander et al., "Complete suppression of filamentation and superior beam quality in quantum-dot lasers", Applied Physics Letters, 82(6), 952-954 (2003).

24. A. R. Kovsh, N. A. Maleev, A. E. Zhukov et al., "InAs/InGaAs/GaAs quantum dot lasers of 1.3 цт range with enhanced optical gain", J. Cryst. Growth. 251(1-4), 729-736 (2003)

25. A. E. Жуков, A. P. Ковш, С. С. Михрин и др., "Метаморфные лазеры спектрального диапазона 1.3 мкм, выращенные методом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложках GaAs", ФТП, 37(9), 1119-1122 (2003).

26. М. Kuntz, G. Fiol, М. Lammlin et al., "10 Gbit/s data modulation using 1.3 pm InGaAs quantum dot lasers", Electron. Lett. 41(5), 244-245 (2005).

27. A. E. Zhukov, A. R. Kovsh, D. A. Livshits et al., "Output power and its limitation in ridge-waveguide 1.3 pm wavelength quantum-dot lasers", Semicond. Sci. Technol., 18(8), 774-781 (2003).

28. А. Е. Жуков, А.П.Васильев, А. Р. Ковш и др., "Лазерная генерация на длине волны 1.5 мкм в структурах с квантовыми точками на подложках GaAs", ФТП, 37(12), 1461-1463 (2003).

29. A. R. Kovsh, А. Е. Zhukov, N. A. Maleev et al., "High power lasers based on submonolayer InAs/GaAs quantum dots and InGaAs quantum wells", Proc. of SPIE, 5023, 353-356 (2003).

30. И. И. Новиков, М.В.Максимов, Ю. M. Шерняков и др., "Температурные характеристики низкопороговых высокоэффективных лазеров на квантовых точках, излучающих в диапазоне длин волн 1.25-1.29 мкм", ФТП, 37(10), 12391242 (2003).

31.D. Ouyang, N. N. Ledentsov, D. Bimberg et al., "High performance narrow stripe quantum-dot lasers with etched waveguide", Semicond. Sci. Technol., 18(12), L53-L54 (2003).

32. D. O'Brien, S. P. Hegarty, G. Huyet et al., "Feedback sensitivity of 1.3 цт InAs/GaAs quantum dot lasers" Electron. Lett., 39(25), 1819-1820 (2003).

33.S. Fathpour, Z. Mi, P. Bhattacharya et al., "The role of Auger recombination in the temperature-dependent output characteristics (7,0=oo) of p-doped 1.3 pm quantum dot lasers", Appl. Phys. Lett., 85(22), 5164-5166 (2004).

34. M. Kuntz, G. Fiol, M. Laemmlin et al, "Direct modulation and mode locking of 1.3 |im quantum dot lasers", New J. Phys., 6(181), 1-11 (2004).

35. К. T. Tan, C. Marinelli, M. G. Thompson et al., "High bit rate and elevated temperature data transmission using InGaAs quantum-dot lasers", IEEE Photon. Technol. Lett., 16(5), 1415-1417(2004).

36. G. Huyet, S. P. Hegarty, D. O'Brien et al., "Damping and feedback characteristics of quantum dot semiconductor lasers", Proc. of SPIE, 5452, 509-517 (2004).

37. G. Huyet, D. O'Brien, S. P. Hegarty et al., "Reduced sensitivity to external feedback in quantum dot lasers", Proc. of SPIE, 5631,21-28 (2004).

38. A. R. Kovsh, N. N. Ledentsov, S. S. Mikhrin et al., "Long-wavelength (1.3 -1.5 micron) quantum dot lasers based on GaAs", Proc. of SPIE, 5349, 31-45 (2004).

39.1. Krestnikov, D. Livshits, S. Mikhrin et al., "Reliability study of InAs/InGaAs quantum dot diode lasers", Electron. Lett., 41(24), 1330-1331 (2005).

40. A. Wilk, A. R. Kovsh, S. S. Mikhrin et al., "High-power 1:3 mm InAs/GalnAs/GaAs QD lasers grown in a Multiwafer МВБ production system", J. Cryst. Growth., 278(1-4), 335-341 (2005).

41. Jl. Я. Карачинский, Т. Kettler, H. Ю.Гордеев и др., "Непрерывный режим генерации одномодовых метаморфных лазеров на квантовых точках спектрального диапазона 1.5 мкм", ФТП, 39(12), 1464-1468 (2005).

42. S. S. Mikhrin, A. R. Kovsh, I. L. Krestnikov et al., "High power temperature-insensitive 1.3 pm InAs/InGaAs/GaAs quantum dot lasers", Semicond. Sci. Technol., 20(5), 340342 (2005).

43. Z. Mi, S. Fathpour, P. Bhattacharya et al., "Temperature dependent output characteristics of p-doped 1.1 and 1.3 pm quantum dot lasers", Proc. ofSPIE, 5722, 6071 (2005).

44. И. И. Новиков, Н.Ю.Гордеев, Л.Я.Карачинский и др., "Влияние р-легирования активной области на температурную стабильность характеристик лазеров на InAs/GaAs-квантовых точках", ФТП, 39(4), 502-506 (2005).

45. М. Laemmlin, G. Fiol, С. Meuer et al., "Self organized quantum dots for 1.3 pm photonic devices", Proc.of SP1E, 6350, 63500M(l-9) (2006).

46. M. Rossetti, L. Li, A. Fiore et al., "High-Power Quantum-Dot Superluminescent Diodes With p-Doped Active Region", IEEE Photon. Technol. Lett., 18(18), 1946-1948 (2006).

47. F. Gerschutz, M. Fischer, J. Koeth et al., "Temperature insensitive 1.3 pm InGaAs/GaAs quantum dot distributed feedback lasers for 10 Gbit/s transmission over 21 km", Electron. Lett., 42(25), 1457-1458 (2006).

48. D.-Y. Cong, A. Martinez, K. Merghem et al., "Optimisation of a-factor for quantum dot InAs/GaAs Fabry-Perot lasers emitting at 1.3 pm", Electron. Lett., 43(4), 222-224 (2007).

49.P. Crump, S.Patterson, S. Elim et al., "Extending the Wavelength Range of Single Emitter Diode Lasers for Medical and Sensing Applications: 12xx-nm quantum dots, 2000-nm wells, > 5000-nm cascade lasers", Proc. ofSPIE, 6456, 64560E(1-11) (2007).

50. A.E. Жуков, A.P. Ковш, Е.В.Никитина и др., "Инжекционные лазеры с широким спектром генерации на основе самоорганизующихся квантовых точек", ФТП, 41(5) 625-630(2007).

51. A. Gubenko, I. Krestnikov, D. Livshtis et al., "Error-free 10 Gbit/s transmission using individual Fabry-Perot modes of low-noise quantum-dot laser", Electron. Lett., 43(25), 1430-1431 (2007).

52. A. Kovsh, I. Krestnikov, D. Livshits et al., "Quantum dot laser with 75 nm broad spectrum of emission", Opt. Lett., 32(7) 793-795 (2007).

53. И. И. Новиков, H. Ю. Гордеев, M. В. Максимов и др., "Инжекционные лазеры на квантовых точках с высоким оптическим усилением и длиной волны излучения более 1300 nm", Письма в ЖТФ, 34(23), 27-32 (2008).

54. А. Е. Жуков, А. Р. Ковш, "Полупроводниковые лазеры на основе квантовых точек для систем оптической связи", Квант. Электроника, 38(5), 409-423 (2008).

55. A. Kovsh, A. Gubenko, I. Krestnikov et al., "Quantum dot comb-laser as efficient light source for silicon photonics", Proc. ofSPIE, 6996, 69960V(1-12) (2008).

56. M. V. Maximov, V. M. Ustinov, A. E. Zhukov et al., "A 1.33 firri InAs/GaAs quantum dot laser with a 46 cm"1 modal gain", Semicond. Sci. Technol, 23(105004), 1-4 (2008).

57. И. И. Новиков, H. Ю. Гордеев, M. В. Максимов и др., "Инжекционные лазеры на квантовых точках с высоким оптическим усилением и длиной волны излучения более 1300 им", Письма в ЖТФ, 34(23), 27-32. (2008)

58. A. Yu. Nevsky, U. Bressel, I. Ernsting et al., "A narrow-line-width external cavity quantum dot laser for high-resolution spectroscopy in the near-infrared and yellow spectral ranges", Appl. Phys. B, 92(4), 501-507 (2008).

59. D.-Y. Cong, A. Martinez, K. Merghem et al, "Temperature insensitive linewidth enhancement factor of />type doped InAs/GaAs quantum-dot lasers emitting at 1.3 цт", Appl. Phys. Lett., 92(19), 191109(1-3) (2008).

60. A. Ramdane, A. Martinez, S. Azouigui et al., "Recent advances in long wavelength quantum dot based lasers", Proc. ofSPIE, 6900(690008) (2008).

61.G.L. Wojcik, D. Yin, A. R. Kovsh et al., "A single comb laser source for short reach WDM interconnects", Proc. ofSPIE, 7230, 72300M(1-12) (2009).

62. D. Yin, A. Gubenko, I. Krestnikov et al., "Laser Diode Comb Spectrum Amplification Preserving Low RIN for WDM applications", Proc. ofSPIE, 7631, 76311R( 1-7) (2009).

63. F. Hopfer, A. Mutig, G. Fiol et al., "120°C 20 Gbit/s operation of 980nm VCSEL based on sub-monolayer growth", Proc. ofSPIE 7229, 72290C(l-8) (2009).

64. D. Livshits, D. Yin, A. Gubenko et al., "Cost-effective WDM optical interconnects enabled by quantum dot comb lasers", Proc. ofSPIE, 7607, 76070W(l-9) (2010).

65. A. E. Zhukov, М. V. Maximov, N. Yu. Gordeev et al., "Quantum dot lasers with controllable spectral and modal characteristics", Semicond. Sci. Technol. 26, 014004 (2011).

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ [1*]. Н.Н.Леденцов, В.М.Устинов, А.Ю.Егоров, А.Е.Жуков, М.В.Максимов, И.Г.Табатадзе, П.С.Копьев, Оптические свойства гетероструктур с квантовыми кластерами InGaAs-GaAs, ФТП, т.28, вып.8, стр. 1483-1487 (1994). [2*]. V.M.Ustinov, A.E.Zhukov, A.Yu.Egorov, N.A.Maleev, Quantum dot lasers, Oxford University Press, 2003, Oxford Science Ptiblications, Series on semiconductor science and technology, v. 11.

[3*]. J.Helms and K.Petermann, A simple analytic expression for the stable operation of laser diodes with optical feedback. IEEE J. Quantum Electron., v. 26, No. 5, pp. 833-836 (1990).

[4*]. G. P. Agrawal, Mode-partition noise and intensity correlation in a two-mode semiconductor laser, Phys. Rev. A, 37(7), 2488-2494 (1988).

Подписано в печать 23.05.2011. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 2,0. Уч.-изд. л. 2,0. Тираж 100. Заказ 7675Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812)550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

Оглавление.

Введение.

Глава 1. Мощностные характеристики лазеров на квантовых точках и их надежность.

1.1. Синтез структур с квантовыми точками на промышленных установках молекулярно-пучковой эпитаксии.

1.2. Стабильность генерации через основное состояние квантовых точек

1.3. Мощные лазеры на квантовых точках.

1.4. Надежность лазеров на квантовых точках.

Выводы по Главе 1.

Глава 2. Динамические характеристики лазеров на квантовых точках

2.1. Введение, методы измерения и анализа динамических лазерных характеристик.

2.2. Модуляционные характеристики лазеров на квантовых точках.

Влияние компрессии усиления.

2.3 Высокоскоростная передача данных с использованием лазеров на квантовых точках.

2.4. Влияние модулированного легирования активной области акцепторной примесью на температурную зависимость динамических характеристик и дифференциального усиления.

2.5. Модуляционные характеристики лазеров с распределенной обратной связью на квантовых точках.

Выводы по Главе 2.

Глава 3. Исследование коэффициента уширения линии генерации (а-фактора) в лазерах на квантовых точках.

3.1. Введение.

3.2. Экспериментальное определение коэффициента уширения линии генерации в лазерах на квантовых точках спектрального диапазона

1.3 мкм.

3.3. Влияние модулированного легирования акцепторной примесью на температурную зависимость коэффициента уширения линии генерации

3.4. Влияние паразитной оптической обратной связи на характеристики лазеров на квантовых точках.

Выводы по Главе 3.

Глава 4. Полупроводниковые лазеры на основе квантовых точек со сверхширокими спектрами усиления и генерации.

4.1. Введение.

4.2. Формирование широких спектров усиления в массиве квантовых точек.

4.3. Лазеры с широким диапазоном внешней перестройки на основе массивов квантовых точек с преднамеренно внесенной разупорядоченностью.

4.4. Инжекционные лазеры на основе квантовых точек со сверхширокими спектрами генерации.

Выводы по Главе 4.

Глава 5. Широкополосные лазерные диоды на основе квантовых точек с низким шумом отдельных продольных мод для систем со спектральным уплотнением каналов.

5.1. Введение: шумовые характеристики лазеров на квантовых точках

5.2. Анализ возможности использования индивидуальной продольной моды в системах высокоскоростной оптической связи.

5.3. Высокоскоростная передача данных с помощью широкополосного лазера на квантовых точках.

5.4. Система со спектральным уплотнением каналов на основе многочастотного лазера на квантовых точках.

Выводы по Главе 5.

Актуальность темы. В последние годы объем информации, передаваемой между компьютерами, продолжает быстро расти. По имеющимся оценкам с 2005 по 2009 год мировой трафик вырос 2 до 9 петабайт/месяц. Медные линии уже не справляются с увеличивающимися требованиями к ширине полосы передачи данных. В связи с этим, сети следующего поколения будут базироваться на оптических каналах связи. Таким образом, оптическая передача информации является одной из наиболее перспективных областей применений полупроводниковых лазеров.

В настоящее время в сетях передачи данных используются лазеры с распределенной обратной связью на квантовых ямах. Однако такие лазеры обладают рядом внутренне присущих недостатков, в числе которых низкая температурная стабильность, влияние отражающегося от оптоволокна света на работу лазера (оптическая обратная связь), изменение длины волны излучения при модуляции током (чирп), сложность изготовления, в особенности для высокоскоростной многоканальной связи. Компенсация этих недостатков приводит к высокой стоимости лазерных модулей и препятствует их широкому внедрению.

К моменту начала настоящей работы теоретически было предсказано, что избежать многих недостатков лазеров на основе квантовых ям позволяет использование лазеров с активной областью на основе нульмерных наноструктур — квантовых точек (КТ). В связи с этим в качестве объекта исследования были выбраны лазеры на основе самоорганизующихся КТ в системе материалов 1пОаА1Аз на подложках ОаАэ; излучающие в спектральном диапазоне около 1.3 мкм.

Физика и технология- приборов на основе КТ является одной' из наиболее бурно развивающихся областей современной электроники. Вскоре после реализации первого лазера на КТ [1] была экспериментально продемонстрирована возможность достижения низкопороговой генерации, в том числе в непрерывном режиме, показана возможность достижения длины волны генерации в диапазоне оптической связи, а также достигнут значительный прогресс в области теоретического описания свойств лазеров на КТ. Однако не было достигнуто комплексного понимания взаимосвязи приборных характеристик между собой и с фундаментальными физическими свойствами КТ. В результате улучшение одного приборного параметра (например, снижение пороговой плотности тока) сопровождалось ухудшением других (например,1 резким уменьшением эффективности). Более того, такие важные для приборных применений параметры, как динамические, шумовые и, отчасти, спектральные характеристики оставались вне исследований. Во многих случаях, наблюдаемые свойства структур определялись не физическими свойствами КТ, а невоспроизводимостью ростовых режимов, низким качеством интерфейсов, наличием дефектов и дислокаций.

Основной целью работы являлось комплексное исследование динамических, шумовых и спектральных характеристик лазеров на основе квантовых точек, определение их взаимосвязи с фундаментальными физическими свойствами квантовых точек, определение методов оптимизации приборных характеристик, а также разработка на основе полученных знаний нового поколения оптоэлектронных приборов с улучшенными по сравнению с существующими аналогами характеристиками.

Методы исследования. Лазерные структуры выращивались методом молекулярно-пучковой эпитаксии с использованием оборудования промышленного класса, что обеспечивает высокое кристаллическое и оптическое совершенство структур, а также высокую воспроизводимость результатов, и дает возможность систематически изучать влияние параметров массивов- квантовых точек, определяющих их фундаментальные свойства, на характеристик приборов на их основе. Для изготовления лазеров на квантовых точках использовалась оптическая и электронная литография и плазмохимическое травление. Исследуемые приборные параметры лазеров включали их ватт-амперные характеристики, спектры усиления и генерации, деградационные, модуляционные и шумовые характеристики.

Научные положения, выносимые на защиту

1. О компрессии усиления.

Лазеры на основе самоорганизующихся квантовых точек характеризуются, по сравнению с лазерами на квантовых ямах, сильной компрессией оптического усиления с ростом концентрации фотонов в резонаторе. Это приводит к сильному демпфированию релаксационных колебаний, насыщению интенсивности генерации через основное состояние, уширению спектра лазерной генерации, возникновению генерации через возбужденное состояние при увеличении тока накачки.

2. О влиянии насыщенного усиления.

В лазерах на квантовых точках увеличение насыщенного усиления приводит к снижению коэффициента уширения линии, уменьшению его зависимости от тока, а также предотвращению генерации через возбужденное состояние вплоть до токов, многократно превышающих порог генерации.

3. О модулированном легировании.

Лазеры на квантовых точках с модулированным легированием акцепторной примесью обладают увеличенной по сравнению с нелегированными структурами температурной стабильностью дифференциального усиления, эффективности модуляции и коэффициента уширения линии.

4. О сверхшироких спектрах усиления и генерации.

В лазерах на основе нескольких слоев квантовых точек, центральная длина волны которых преднамеренно меняется от слоя к слою, уже при малых плотностях тока накачки достигаются сверхширокие спектры усиления и генерации, перекрывающие диапазон длин волн от основного до возбужденных оптических переходов.

5. О шуме интенсивности продольных мод.

В лазерах на квантовых точках относительный шум интенсивности продольных мод мал по сравнению с лазерами на квантовых ямах. Это позволяет использовать отдельные продольные моды для безошибочной передачи данных с высокой скоростью.

Научная новизна работы состоит в следующем.

- Впервые установлена причина возникновения генерации через возбужденное состояние при больших токах инжекции и сформулированы условия генерации на основном состоянии вплоть до высоких выходных мощностей.

- Впервые исследовано явление компрессии усиления в лазерах на квантовых точках, его взаимосвязь с демпфированием релаксационных колебаний, уширением спектров лазерной генерации, уровнем шумов, определен коэффициент компрессии усиления.

- Впервые исследовано влияние модулированного легирования квантовых точек примесью р-типа на температурную стабильность модуляционных характеристик и фактора уширения линии, продемонстрирован эффект уменьшения их температурной зависимости.

- Впервые проведены систематические исследования зависимости эффективности модуляции и фактора уширения линии от числа слоев квантовых точек в активной области. Впервые обнаружен и объяснен эффект уменьшения паразитного влияния оптической обратной связи в лазерах на квантовых точках.

-Впервые предложен метод для достижения сверхшироких однородных спектров усиления и лазерной генерации с помощью нескольких слоев квантовых точек, центральная длина волны которых преднамеренно меняется от слоя к слою.

- Впервые показано, что относительный шум интенсивности отдельных продольных мод в лазерах на квантовых точках мал и продемонстрирована возможность использования продольных мод в качестве, отдельных каналов для параллельной передачи данных.

Таким образом, в ходе работы проведено комплексное исследование приборных характеристик лазеров на основе квантовых точек, выявлены их особенности, обусловленные фундаментальными физическими свойствами самоорганизующихся квантовых точек, а также определены методы оптимизации приборных характеристик путем целенаправленного изменения свойств активной области и конструкции лазеров.

Практическая значимость работы состоит в том, что в ней:

- Впервые реализованы сверхмощные лазеры на квантовых точках (16 Вт в многомодовом лазере и 850 мВт в пространственно-одномодовом лазере) с длиной волны свыше 1.2 мкм и продемонстрирована их высокая надежность (срок службы более миллиона часов).

-Впервые продемонстрированы одночастотные лазеры на квантовых точках с распределенной обратной связью с длиной волны в диапазоне 1.3 мкм, которые могут быть использованы в качестве оптического источника, работающего без системы термостабилизации в оптоволоконных сетях передачи информации средней дальности, обеспечивая температурно-стабильную (25-85°С) безошибочную передачу данных со скоростью 10 Гбит/с.

- В лазерах на квантовых точках продемонстрирован эффект уменьшения влияния паразитной обратной связи, который позволяет реализовать ввод излучения в волокно без оптического изолятора и тем самым упростить лазерный модуль. Продемонстрирована передача данных на расстояние 20 км со скоростью 10 Гбит/с без оптических изоляторов.

- Разработаны мощные (> 200 мВт) одночастотные лазеры, перестраиваемые в широком (> 160 нм) диапазоне длин волн, а также лазеры со сверхширокими (> 75 нм) спектрами генерации и высокой спектральной плотностью мощности излучения (>10 мВт/нм).

- Продемонстрирована возможность использования многочастотного лазера на квантовых точках, обладающего низким шумом отдельных продольных мод, в качестве многоканального оптического передатчика в будущем поколении систем со спектральным уплотнением каналов, обеспечивающих скорость передачи данных > 500 Гбит/с.

Таким образом, в ходе работы разработана технология и продемонстрированы лазеры на квантовых точках" спектрального диапазона 1.2 —1.36 мкм с рекордными характеристиками, превосходящими существующие аналоги, перспективные для высокоскоростной оптической передачи данных, а также для медицинских целей, удвоения частоты, спектроскопии, атмосферного мониторинга и других применений.

В результате диссертационной работы сформировалось новое научное направление в физике полупроводников — физика и технология лазеров на квантовых точках, управление их приборными характеристиками и их использование для высокоскоростной оптической передачи данных.

Апробация работы. Результаты, вошедшие в диссертационную работу, докладывались и обсуждались на Всероссийских и международных конференциях и симпозиумах: 9-15 Международных симпозиумах "Наноструктуры: Физика- и Технология" (Санкт-Петербург, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005, 2007); Международных конференциях Западная фотоника (Сан Хосе; США 2006, 2007, 2008, 2009, 2010); Международных конференциях Европейская фотоника (Страсбург, Франция, 2004; Мюнхен, Германия, 2007); 25 - 28 Международных конференциях по физике полупроводников (Осака, Япония, 2000; Эдинбург, Великобритания, 2002; Флагстафф, США, 2004, Вена, Австрия 2006); 31 Европейской конференции по оптической коммуникации (Глазго, Шотландия, 2005); 12 Международной конференции по микроволновому излучению и телекоммуникации (Севастополь, Украина, 2002); Конференциях по лазерам и электрооптике (CLEO) (Сан Франциско, США, 2004; Балтимор США 2005; Лонг Бич США 2006); 5 Белорусско-Российском семинаре «Полупроводниковые лазеры и системы" (Минск, Беларусь, 2005); 19 международной конференции по полупроводниковым лазерам (Шимане, Япония, 2004); 29 ежегодной конференции по волоконно-оптической связи (Лос-Анджелес, США, 2004); 2 Международной конференции по полупроводниковым квантовым точкам (Токио, Япония, 2002); 12 Международной конференции по динамике неравновесных носителей в полупроводниках (Санта-Фе, США, 2001); Международном симпозиуме по электронным приборам и материалам (Тайпей, Тайвань, 2002). Результаты исследований опубликованы в 65 научных статьях.

Основные результаты работы

1. Продемонстрирована высокая однородность и воспроизводимость параметров структур с квантовыми точками, синтезируемых методом молекулярно-пучковой эпитаксии.

2. Показано, что в лазерах на квантовых точках при увеличении тока накачки может происходить насыщение интенсивности излучения на длине волны основного оптического перехода и возникновение линии генерации на длине волны возбужденного оптического перехода. На основе скоростных уравнений для носителей заряда и фотонов разработан теоретический подход для описания ватт-амперных характеристик лазеров на квантовых точках. Показано, переход к генерации через возбужденное состояние обусловлен относительно медленной скоростью релаксации носителей заряда на основное состояние и их накоплением на возбужденном состоянии. Показано, что порог генерации через возбужденное состояние возрастает при уменьшении оптических потерь и при увеличении насыщенного усиления на основном состоянии.

3. Продемонстрировано, что в лазерах на квантовых точках возможно подавление перехода к генерации через возбужденное состояние вплоть до высоких токов накачки и достижение высокой дифференциальной эффективности 88% и выходной мощности на длине волны около 1.3 мкм (16 Вт в многомодовом режиме, 850 мВт в пространственно-одномодовом режиме).

4. Продемонстрировано,, что амплитудно-частотная характеристика лазеров на квантовых точках диапазона 1.3 мкм сильно демпфирована вследствие высокого значения коэффициента компрессии усиления, которое оценено равным 10 см и более чем на порядок: превышает типичные значения для: лазеров на квантовых: ямах. Это обусловлено относительно> низкой скоростью захвата носителей заряда на; основное состояние квантовых точек.

5. Показано, что для увеличения предельной частоты модуляции,, и реализации высоких скоростей оптической передачи в лазерах на основе квантовых точек требуется увеличение насыщенного усиления, что может быть достигнуто увеличением числа слоев с квантовыми точками. Проведена оптимизация конструкции многослойных массивов квантовых точек, которая позволила реализовать низкопороговую лазерную генерацию в структурах, содержащих 10 рядов КТ 1пАз/1пСаА8, излучающих в диапазоне длин волн 1.3 мкм. Продемонстрировано, что увеличение числа слоев квантовых точек в активной области лазеров с 5 до 10 позволяет увеличить частоту релаксационных колебаний с 5.6 до 7 ГГц. Продемонстрирована безошибочная передача на скорости 10Гбит/с при комнатной температуре с помощью лазера на основе 10 рядов квантовых точек.

6. Показано, что в лазерах с квантовыми точками модулированное легирование активной области акцепторной примесью позволяет повысить температурную стабильность дифференциального усиления и, как результат, эффективности модуляции по сравнению с нелегированными; аналогами. Продемонстрированы одночастотные температурно-стабильные лазеры с распределенной обратной связью с модулированным ^-легированием активной области и длиной волны генерации свыше 1.32 мкм. Продемонстрировано, что подобные лазеры позволяют реализовать безошибочную передачу на скорости 10 Гбит/с при повышенных температурах (до 85°С) с дальностью связи до 20 км.

7. Показано, что в лазерах на основе квантовых точек значение коэффициента уширения линии генерации может быть уменьшено с помощью увеличения числа слоев квантовых точек в активной области. Продемонстрированы рекордно-низкие значения а-фактора (менее 4) при комнатной температуре вплоть до 12-кратного превышения порога лазерной генерации в лазерах спектрального диапазона 1.3 мкм на основе 10 рядов квантовых точек. В то же время показано, что повышение температуры в- лазерах с нелегированной активной областью вызывает сильный рост а-фактора особенно при высоких значениях тока накачки.

8. Показано, что модулированное р-легирование активной области лазеров на основе многослойных массивов квантовых точек позволяет достичь высокой температурной и токовой стабильности а-фактора. В лазере на основе 10 рядов квантовых точек с ^-легированием достигнуты рекордно-низкие значения а-фактора (3.2) при 80°С и токе, превышающем пороговое значение в 4 раза.

9. В лазерах на основе квантовых точек, благодаря низким значениям а-фактора, продемонстрировано значительное (20 дБ) повышение порога срыва когерентности по сравнению с лазерами на основе квантовых ям. При передаче данных на расстояние 20 км со скоростью ЮГбит/сек пороговое значения обратной связи, при которых происходит срыв когерентности, составило -12 дБ, что согласно стандартной спецификации позволяет использовать данные лазеры без дополнительных оптических изоляторов.

Ю.Предложен метод управления- формой' спектров усиления* лазерных диодов с помощью-использования-нескольких слоев квантовых точек, центральная длина волны которых преднамеренно меняется от слоя к слою. Экспериментально ^продемонстрировано, что использование этого метода позволяет уже при, малых плотностях тока накачки достичь сверхбольшой ширины спектров усиления за счет вклада основного, а также первого и второго возбужденных оптических переходов. Продемонстрирована1 возможность непрерывной перестройки длины волны пространственно-одномодового лазера на основе подобной активной области в диапазоне длин волн 175 нм. Выходная мощность превышала 200 мВт в данном спектральном диапазоне, максимальная выходная мощность составила более 600 мВт.

11.Развита аналитическая модель для описания эффекта уширения спектра генерации в лазерах на основе квантовых точек, проведена оптимизация активной области и конструкции лазерного диода на основе предсказаний модели. Впервые продемонстрирована многочастотная лазерная генерация через основное состояние массива квантовых точек с шириной спектра более 26 нм при спектральной плотности мощности более 10мВт/нм. Показано, что использование нескольких слоев квантовых точек, центральная длина волны которых преднамеренно меняется от слоя к слою, позволяет достичь сверхшироких спектров лазерной генерации (более 75 нм), обладающих высокой спектральной однородностью плотности мощности.

Продемонстрировано, что шум относительной интенсивности выделенной продольной моды в лазере на квантовых точках составляет менее -125 дБ/Гц и более чем на 10 дБ/Гц ниже значений в лазерах на квантовых ямах. Этот результат может быть объяснен взаимосвязью между демпфированием релаксационных колебаний, которое имеет место в лазерах на квантовых точках, и флуктуациями. плотности фотонов в резонаторе. Продемонстрирован лазер на КТ у которого интегральное значение шума относительной интенсивности составляет менее 0.2% каждая для каждой из 50 продольных мод.

13. Экспериментально продемонстрирована безошибочная передача

13 данных (вероятность ошибок <10" ) со скоростью 10 Гбит/с с помощью спектрально-выделенной моды резонатора Фабри-Перо лазера на квантовых точках.

14.Предложена новая конструкция оптического источника для систем многоканальной оптической связи со спектральным уплотнением каналов на основе лазерного диода на квантовых точках, способного одновременно излучать большое число продольных оптических мод, каждая их которых служит отдельным каналом для передачи данных.

Таким образом, в ходе работы проведено комплексное исследование динамических, шумовых и спектральных характеристик лазеров на основе квантовых точек, определена взаимосвязь приборных характеристик с фундаментальными физическими свойствами квантовых точек, проведена оптимизация активной области, конструкции лазерных диодов и методов их изготовления, которая позволила достичь высокую воспроизводимость характеристик, высокую мощность в сочетании с длиной волны излучения в диапазоне около 1.3 мкм, высокую скорость передачи данных в широком диапазоне температур, высокую устойчивость по отношению к паразитной оптической обратной связи, сверхширокие спектры усиления иt генерации. Можно констатировать, что в результате работы создано новое поколения оптоэлектронных приборов с улучшенными по сравнению« с существующими аналогами характеристиками.

Благодарности. В заключение считаю своим приятным долгом поблагодарить за дружескую поддержку и помощь своих коллег, сотрудников лаборатории нанофотоники СПб АУ НОЦНТ РАН, а также сотрудников лаборатории физики полупроводниковых гетероструктур Физико-технического института им. А.Ф.Иоффе, чьи исследования внесли значительный вклад в эту работу. Выражаю искреннюю признательность член-корр. РАН проф. А.Е. Жукову, член-корр. РАН проф. В.М. Устинову, член-корр. РАН проф. П.С. Копьеву, член-корр. РАН проф. H.H. Леденцову, д.ф.-м.н. М.В. Максимову, д.ф.-м.н. А.Ю. Егорову, к.ф.-м.н. Ю.М. Шернякову, к.ф.-м.н. Н.Ю. Гордееву, к.ф.-м.н. Д.А. Лившицу, к.ф.-м.н. И.Л. Крестникову, к.ф.-м.н. А.Е. Губенко и к.ф.-м.н. С.С. Михрину совместно с которыми были проведены многие эксперименты по эпитаксиальному выращиванию структур на основе самоорганизующихся квантовых точек, а также исследованию их оптических и структурных свойств. Отдельную благодарность хочу выразить академику Ж.И. Алферову за постоянно ощутимый интерес к работе и неоценимую помощь. Я также благодарен и многим другим сотрудникам СПб АУ НОЦНТ РАН и ФТИ.

Заключение

1. А. Ф. Цацульников, Н. Н. Леденцов, М.В.Максимов и др., "Фотолюминесценция массивов вертикально связанных напряженных квантовых точек InAs в матрице GaAs(lOO)", ФТП 30(10), 1822-1830 (1996).

2. А. Е. Жуков, А. Ю. Егоров, А. Р. Ковш и др., "Инжекционный лазер на основе массива вертикально совмещенных квантовых точек InGaAs в матрице AlGaAs", ФТПЪ1(4), 483-487 (1997).

3. V.M.Ustinov, А. Е. Zhukov, A. Yu. Egorov et al., "Extremely low threshold AlGaAs/InGaAs quantum dot injection laser", Inst. Phys. Conf. Ser. No 155(7), 557-560 (1997).

4. А. Ю. Егоров, A. P. Ковш, A. E. Жуков и др., "Термодинамический анализ процесса роста четверных соединений AIIIBV при молекулярно-пучковой эпитаксии на примере соединений GaxInixPYAsiY" ФТП, 31(10), 1153-1157(1997)

5. С. В. Зайцев, Н. Ю. Гордеев, В. И. Копчатов и др., "Лазеры на квантовых точках: основные компоненты пороговой плотности тока" ФТП 31(9), 1106-1108 (1997)

6. Ю. М. Шерняков, А. Ю. Егоров, А. Е. Жуков и др., "Инжекционный гетеролазер с квантовыми точками, работающий в непрерывном режиме при комнатной температуре с выходной мощностью 1 Вт", Письма в ЖТФ, 23(4), 51-54 (1997).

7. А. Р. Ковш, А. Е. Жуков, А. Ю. Егоров и др., "Влияние поверхностной концентрации квантовых точек в активной, области на характеристики инжекционных лазеров", ФШ 32(9), 1114-1118 (1998).

8. A. P. Ковш, A. E. Жуков, А. Ю. Егоров и др., "Особенности усиления в инжекционных лазерах на основе самоорганизующихся квантовых точек", Ф777 33(2), 215-223 (1999).

9. A. R. Kovsh, А. Е. Zhukov, A. Yu. Egorov et al., "Molecular beam epitaxy (MBE) growth of composite (In,Al)As/(In,Ga)As vertically coupled quantum dots and their application in injection lasers", J. Cryst. Growth 201-202(1), 1117-1120 (1999).

10. A. E. Жуков, A. P. Ковш, В.М.Устинов и др., "Характеристики усиления инжекционных лазеров на квантовых точках", ФТП 33(9), 1111-1114(1999).

11. А. Р. Ковш, Д. А. Лившиц, А. Е. Жуков и др., "Инжекционный гетеролазер на основе квантовых точек с выходной мощностью излучения 3.3 Вт", Письма вЖТФ 25(11), 41-46 (1999).

12. А. Е. Zhukov, A. R. Kovsh, V.M.Ustinov et al., "Gain characteristics of quantum dot injection lasers", Semicond. Sci. Technol. 14(1), 118-123

13. А. Р. Ковш, A. E. Жуков, H. А. Малеев и др., "Лазерная генерация с длиной волны излучения в районе 1.3« мкм в структурах на основе квантовых точек InAs", ФТП 33(8), 1020-1023 (1999).

14. Б. В. Воловик, А. Ф. Цацульников, Д. А. Бедарев и др., "Длинноволновое излучение в структурах с квантовыми точками, полученными при стимулированном распаде твердого- раствора на напряженных островках", ФШЗЗ(8), 990-995 (1999).

15. A. R. Kovsh, А. Е. Zhukov, D. A. Livshits et al, "3.5 W CW operation of quantum dot laser", Electron. Lett. 35(14), 1161-1163 (1999).

16. C. С. Михрин, А.Е.Жуков, A. P. Ковш и др., "Пространственно одномодовый лазер диапазона 1.25-1.28 мкм с квантовыми точками InAs на подложке GaAs", Ф777 34(1), 117-120 (2000).

17. А. Ф. Цацульников, Б. В. Воловик, Д. А. Бедарев и др., "Механизмы распада твердого раствора InGaAlAs, стимулированного квантовыми точками InAs", ФТП 34(3), 330-333 (2000).

18. В. М. Устинов, Н.А.Малеев, А.Е.Жуков и др., "Вертикальногизлучающие приборы на основе структур с квантовыми точками", Успехи физических наук 171(8), 855-856 (2001).

19. М. Kuntz, N. N. Ledentsov, D. Bimberg et al, "Spectrotemporal response of 1.3 jim quantum-dot lasers",AppL Phys. Lett. 81(20), 3846-3848 (2002).

20. С. С. Михрин, А.Е.Жуков, A. P. Ковш и др., "Высокоэффективные (tid>80%) длинноволновые (Я>1.25 мкм) лазеры на основе квантовых точек на подложках GaAs", ФТП т. 36(11), 1400-1406 (2002).

21. А. R. Kovsh, N. A. Maleev, А. Е. Zhukov et al, "InAs/InGaAs/GaAs quantum dot lasers of 1.3 mm range with high (88%) differential Efficiency", Electron. Lett. 38(19), 1104- 1106 (2002).

22. Ch. Ribbat, R. L. Sellin, I. Kaiander et al., "Complete suppression of filamentation and superior beam quality in quantum-dot lasers", Applied Physics Letters, 82(6), 952-954 (2003).

23. A. R. Kovsh, N. A. Maleev, A. E. Zhukov et al., "InAs/InGaAs/GaAs quantum dot lasers of 1.3 jim range with enhanced optical gain", J. Cryst. Growth. 251(1-4), 729-736 (2003)

24. A. E. Жуков, A. P. Ковш, С. С. Михрин и др., "Метаморфные лазеры спектрального диапазона 1.3 мкм, выращенные методом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложках GaAs", ФТП, 37(9), 1119-1122 (2003).

25. М. Kuntz, G. Fiol, М. Lammlin et al., "10 Gbit/s data modulation using 1.3 (Ш1 InGaAs quantum dot lasers", Electron. Lett. 41(5), 244-245 (2005).

26. A. E. Zhukov, A. R. Kovsh, D. A. Livshits et al., "Output power and its limitation in ridge-waveguide 1.3 цт wavelength quantum-dot lasers", Semicond. Sci. Technol., 18(8), 774-781 (2003).

27. A. E. Жуков, А. П. Васильев, A. P. Ковш и др., "Лазерная генерация на длине волны 1.5 мкм в структурах с квантовыми точками на подложках GaAs", ФТП, 37(12), 1461-1463 (2003).

28. А. R. Kovsh, А. Е. Zhukov, N. A. Maleev et al., "High power lasers based on submonolayer InAs/GaAs quantum dots and InGaAs quantum wells", Proc. ofSPIE, 5023, 353-356 (2003).

29. M. Kuntz, G. Fiol, M. Laemmlin et al., "Direct modulation and mode locking of 1.3 \im quantum dot lasers", New J. Phys., 6(181), 1-11 (2004).

30. K. T. Tan, C. Marinelli, M. G. Thompson et al., "High bit rate and elevated temperature data transmission using InGaAs quantum-dot lasers", IEEE Photon. Technol. Lett., 16(5), 1415-1417 (2004).

31. G. Huyet, S. P. Hegarty, D. O'Brien et al., "Damping and feedback characteristics of quantum dot semiconductor lasers", Proc. of SPIE, 5452, 509-517 (2004).

32. G. Huyet, D. O'Brien, S. P. Hegarty et al., "Reduced sensitivity to external feedback in quantum dot lasers", Proc. of SPIE, 5631, 21-28 (2004).

33. A. R. Kovsh, N. N. Ledentsov, S. S. Mikhrin et al., "Long-wavelength (1.3 -1.5 micron) quantum dot lasers based on GaAs", Proc. of SPIE, 5349, 31-452004).

34. Krestnikov, D. Livshits, S. Mikhrin et al., "Reliability study of InAs/InGaAs quantum dot diode lasers", Electron. Lett., 41(24), 1330-1331

35. A. Wilk, A. R. Kovsh, S. S.Mikhrin et al, "High-power 1:3 mm InAs/GalnAs/GaAs QD lasers grown in a Multiwafer MBE production system", J. Cryst. Growth., 278(1-4), 335-341 (2005).

36. JI. Я. Карачинский, Т. Kettler, H. Ю.Гордеев и др., "Непрерывный режим генерации одномодовых метаморфных лазеров на квантовых точках спектрального диапазона 1.5 мкм", ФТП, 39(12), 1464-1468 (2005).

37. S. S. Mikhrin, A. R. Kovsh, I. L. Krestnikov et al, "High power temperature-insensitive 1.3 цт InAs/InGaAs/GaAs quantum dot lasers", Semicond. Set Technol., 20(5), 340-342 (2005).

38. Z. Mi, S. Fathpour, P. Bhattacharya et al., "Temperature dependent output characteristics of ¿»-doped 1.1 and 1.3 jim quantum dot lasers", Proc. of SPIE, 5722, 60-71 (2005).

39. И. И. Новиков, H. Ю. Гордеев, Л. Я. Карачинский и др., "Влияние р-легирования активной области на температурную стабильность характеристик лазеров на InAs/GaAs-квантовых точках", ФТП, 39(4), 502-506 (2005).

40. М. Laemmlin, G. Fiol, С. Meuer et al., "Self organized quantum dots for 1.3 jim photonic devices", Proc.of SPIE, 6350, 63500M(l-9) (2006).

41. M. Rossetti, L. Li, A. Fiore et al., "High-Power Quantum-Dot Superluminescent Diodes With p-Doped Active Region", IEEE Photon. Technol. Lett., 18(18), 1946-1948 (2006).

42. F. Gerschutz, M.Fischer, J. Koeth et al., "Temperature insensitive 1.3 |xm InGaAs/GaAs quantum dot distributed feedback lasers for 10 Gbit/s transmission over 21 km", Electron. Lett., 42(25), 1457-1458 (2006).

43. D.-Y. Cong, A. Martinez, K. Merghem et al, "Optimisation of a-factor for quantum dot InAs/GaAs Fabry-Perot lasers emitting at 1.3 |im", Electron: Lett., 43(4), 222-224 (2007).

44. P. Crump, S. Patterson, S. Elim et al, "Extending the Wavelength Range of Single Emitter Diode Lasers for Medical and Sensing Applications: 12xx-nm quantum dots, 2000-nm wells, > 5000-nm cascade lasers", Proc. of SPIE, 6456, 64560E(1-11) (2007).

45. A.E. Жуков, A.P. Ковш, E.B. Никитина и др., "Инжекционные лазеры с широким спектром генерации на основе самоорганизующихся квантовых точек", ФТП, 41(5) 625 630 (2007).

46. A. Gubenko, I. Krestnikov, D. Livshtis et al., "Error-free 10 Gbit/s transmission using individual Fabry-Perot modes of low-noise quantum-dot laser", Electron. Lett., 43(25), 1430-1431 (2007).

47. A. Kovsh, I. Krestnikov, D. Livshits et al., "Quantum dot laser with: 75 nm broad spectrum of emission", Opt. Lett., 32(7) 793-795 (2007).

48. И. И. Новиков, H. Ю. Гордеев, M. В. Максимов и др., "Инжекционные лазеры на квантовых точках с высоким оптическим усилением и длиной волны излучения более 1300 nm", Письма вЖТФ, 34(23), 27-32 (2008).

49. А. Е. Жуков, А. Р. Ковш, "Полупроводниковые лазеры на основе квантовых точек для систем оптической связи", Квант. Электроника, 38(5), 409-423 (2008).

50. A. Kovsh, A. Gubenko, I. Krestnikov et al., "Quantum dot comb-laser as efficient light source for silicon photonics", Proc. of SPIE, 6996, 69960V( 112) (2008).

51. М. V. Maximov, V. M. Ustinov, A. E. Zhukov et al, "A 1.33 pm InAs/GaAs quantum dot laser with a 46 cm-1 modal gain", Semicond. Sci. Technol., 23(105004), 1-4 (2008).

52. И. И. Новиков, H. Ю. Гордеев, M. В. Максимов и др., "Инжекционные лазеры на квантовых точках с высоким оптическим усилением и длиной волны излучения более 1300 нм", Письма в ЖТФ, 34(23), 27-32. (2008)

53. А. Yu. Nevsky, U. Bressel, I. Ernsting et al, "A narrow-line-width external cavity quantum dot laser for high-resolution spectroscopy in the near-infrared and yellow spectral ranges", Appl Phys. B, 92(4), 501-507 (2008).

54. D.-Y. Cong, A. Martinez, K. Merghem et al, "Temperature insensitive linewidth enhancement factor of p-type doped InAs/GaAs quantum-dot lasersemitting at 1.3 \unn,Appl. Phys. Lett., 92(19), 191109(1-3) (2008).

55. A. Ramdane, A. Martinez, S. Azouigui et al., "Recent advances in long wavelength quantum dot based lasers", Proc. ofSPIE, 6900(690008) (2008).

56. G.L. Wojcik, D.Yin, A. R. Kovsh et al, "A single comb laser source for short reach WDM interconnects", Proc. of SPIE, 7230, 72300M(1-12) (2009).

57. D. Livshits, D. Yin, A. Gubenko et al, "Cost-effective WDM optical interconnects enabled by quantum dot comb lasers", Proc. of SPIE, 7607, 76070W(l-9) (2010).

58. A. E. Zhukov, M. V. Maximov, N. Yu. Gordeev et al, "Quantum dot lasers with controllable spectral and modal characteristics", Semicond. Sci. Technol. 26,014004 (2011).

59. Список цитированной литературы

60. R. Dingle and C.H. Henry, «Quantum effects in heterostructure lasers», US Patent, 3982207 (1996)

61. Y. Arakawa and H. Sakaki, «Multidimensional quantum well laser and temperature dependence of its threshold current», Applied Physics Letters, v.40, No. 11, pp. 939-941 (1982)

62. G. Park, O.B. Shchekin, D.L. Huffaker and D.G. Deppe, «Low-threshold oxide-confined 1.3-цт quantum-dot laser», IEEE Photonics Technology Letters, v. 12, No.3, pp.230-232 (2000)

63. L.V. Asryan and R.A. Suris, «Inhomogeneous line broadening and the threshold current density of a semiconductor quantum dot laser», Semiconductor Science and Technology, v.l 1, No.4, pp.554—567 (1996)

64. M. Grundmann and D. Bimberg, «Theory of random population for quantum dots», Physical Review B, v.55, No.15, pp.9740-9745 (1997)

65. G. Park, D.L. Huffaker, Z. Zou, O.B. Shchekin and D.G. Deppe, «Temperature dependence of lasing characteristics for long-wavelength (1.3-fim) GaAs-based quantum-dot lasers», IEEE Photonics Technology Letters, v. 11, No.3, pp.301—303 (1999)

66. H. Benisty, C.M.'Sotomayor-Torres and C. Weisbuch «Intrinsic mechanism for poor luminsecence properties of quantum-box systems», Physical Review B, v.44, No. 19, pp. 10945-10948 (1991)

67. D. Bimberg, M. Grundmann and N.N. Ledentsov, «Quantum Dot Heterostructures», John Wiley & Sons, Chichester, 328 p. (1999)

68. M. Sugawara, K. Mukai and H. Shoji, «Effect of phonon bottleneck on quantum-dot laser performance», Applied Physics Letters, v.71, No. 19, pp.2791—2793 (1997)

69. K. Mukai, N. Ohtsuka, H. Shoji and M. Sugawara «Emission from discrete levels in self-formed InGaAs/GaAs quantum dots by electric carrier injection: influence of phonon bottleneck», Applied Physics Letters, v.68, No.21, pp.3013—3015 (1996)

70. M. Sugawara, «Self-assembled InGaAs/GaAs Quantum Dots», Semiconductors and semimetals, v.60, Academic Press, San Diego, (1999)

71. H. Dery and G. Eisenstein, «The Impact of Energy Band Diagram and Inhomogeneous Broadening on the Optical Differential Gain in Nanostructure Lasers», IEEE Journal of Quantum Electronics, v.41, No.l, pp.26-35 (2005)

72. H. Dery and G. Eisenstein, «Self-Consistent Rate Equations of Self-Assembly Quantum Wire Lasers», IEEE Journal of Quantum Electronics, v.40, No. 10, pp.1398—1409 (2005)

73. D. Klotzkin and P. Bhattacharya, «Temperature Dependence of Dynamic and DC Characteristics of Quantum-Well and Quantum-Dot Lasers: A Comparative Study», Journal of Lightwave Technology, v. 17, No.9, pp. 1634-1642 (1999)

74. R. Krebs, F. Klopf, S. Rennon, J.P. Reithmaier and A. Forchel, «High frequency characteristics of InAs/GalnAs quantum dot distributed feedbacklasers emitting at 1.3 jj,m», Electronics Letters, v.37, No.20, pp. 1223-1225 (2001)

75. T. Riedl, A. Hangleiter, J. Porsche and F. Scholz, «Small signal modulation response of InP/GalnP quantum dot lasers», Applied Physics Letters, v.80, No.21, pp.4015-4017 (2002)

76. G.-L. Lippi, N. Dokhane, X. Hachair, S. Barland and J.R. Tredicce, «High Speed Direct Modulation of Semiconductor Lasers», Proceedings of SPIE, v.4871, pp.103—114 (2002)

77. S.L. Chuang, «Physics of Optoelectronic Devices», Wiley-Interscience, New York, Chap. 11, 736 p. (1995)

78. K.Y. Lau, N. Bar Chaim, I. Ury, Ch. Harder and A. Yariv, «Direct amplitude modulation of short - cavity GaAs lasers up to X - band frequencies», Applied Physics Letters, v.43, No.l, pp. 1-3 (1983)

79. L. Kam and A. Yariv, «Ultra-high speed semiconductor lasers», IEEE Journal of Quantum Electronics, v.21, No.2, pp.121-138 (1985)

80. T. Ikegami and Y. Suematsu, «Resonance-like characteristics of the direct modulation of a junction laser», Proceedings of the IEEE, v.55, No.l, pp.122—123 (1967)

81. R. Nagarajan, M. Ishikawa, T. Fukushima, R. Geels and J. Bowers, «High Speed Quantum-Well Lasers and Carrier Transport Effects», IEEE Journal of Quantum Electronics, v.28, No.10, pp.1990-2008 (1992)

82. L.A. Coldren and S.W. Corzine, «Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits», Wiley-Interscience, 624 p. (1995)

83. K. Peterman, «Theoretical analysis of spectral modulation behaviour of semiconductor injection lasers», Optical and Quantum Electronics, v. 10, No.3, pp.233-242 (1978)

84. K.J. Ebeling, L.A. Coldren, B.I. Miller and J.A. Rentschler, «Single-mode operation of coupled-cavity GainAsP /InP semiconductor lasers», Applied Physics Letters, v.42, No.l, pp.6-8 (1983)

85. D. Marcuse and L. Tien-Pei, «On Approximate Analytical Solutionos of Rate Equations for Studying Transient Spectra of Injection Lasers», IEEE Journal of Quantum Electronics, v.19, No.9, pp.1397-1406 (1983)

86. M.-H. Mao, T.-Y. Wu, D.-C. Wu, F.-Y. Chang and H.-H. Lin, «Relaxation oscillations and damping factors of 1.3 |im In(Ga)As/GaAs quantum-dot lasers», Optical and Quantum Electronics, v.36, No. 10, pp.927-933 (2004)

87. H. Su, L. Zhang, A.L. Gray, R. Wang, P.M. Varangis and L.F. Lester, «Gain compression coefficient and above-threshold linewidth enhancement factor in InAs/GaAs quantum DFB lasers», Proceedings of SPIE, v.5722, pp.72—79 (2005)

88. R. Olshansky, P. Hill, V. Lanzisera and W. Powazinik, «Frequency response of 1.3 jim InGaAsP high speed semiconductor lasers»,. IEEE Journal of Quantum Electronics, v.23, No.9, pp.1410-1418 (1987)

89. A Grabmaier, A. Hangleiter, G. Fuchs, J.E.A. Whiteaway and R.Wf. Glew, «Low nonlinear gain in InGaAs/InGaAlAs separate confinement multiquantum well lasers», Applied Physics Letters, v.59, No.23, pp.3024— 3026 (1991)

90. L.V.T. Nguyen, «Mode-partition Noise in Semiconductor Lasers», Defence Science and Technology Organisation, No.DSTO-TR-0244, 50 p. (2002)

91. K. Kamath, J. Phillips, H. Jiang, J. Singh and P. Bhattacharya, «Small-signal modulation and differential gain of single-mode self-organized Ino.4Gao.6As/GaAs quantum dot lasers», Applied Physics Letters, v.70, No.22, pp.2952—2953 (1997)

92. T.C. Newell, D.J. Bossert, A. Stintz, B. Fuchs, K.J. Malloy and L.F. Lester, «Gain and linewidth enhancement factor in InAs quantum-dot laser diodes», IEEE Photonics Technology Letters, v.l 1, No.12, pp.1527-1529 (1999)

93. S. Ghosh, S. Pradhan and P. Bhattacharya, «Dynamic characteristics of high1speed Ino.4Gao.6As/GaAs self-organized quantum dot lasers at room temperature», Applied Physics Letters, v.81, No.16, pp.3055-3057 (2002)

94. B. Shchekin and D.G. Deppe, «1.3 pm InAs quantum dot laser with T0 =161K from 0 to 80°C », Applied Physics Letters, v.80, No. 18, pp.3277-3279 (2002)

95. C.H. Henry, «Theory of the linewidth of semiconductor lasers», IEEE Journal of Quantum Electronics, v. 18, No.2, pp.259-264 (1982)

96. A.L. Schawlow and C.H. Townes, «Infrared and optical masers», Physical Review v.l 12, No.6, pp.1940-1949 (1958)

97. R. de L. Kronig, «On the theory of the dispersion of X-rays», On the theory of the dispersion of X-rays, v.12, No.6, pp.547-556 (1926)

98. D.C. Hutchings, M. Sheik-Bahae, D.J. Hagan and E.W. Van Stryland, «Kramers-Kronig relations in nonlinear optics», Optical and Quantum Electronics, v.24, No.l, pp. 1-30 (1992)

99. T.L. Koch and J.E. Bowers, «Nature of wavelength chirping in directly modulated semiconductor lasers», Electronics Letters, v.20, No. 25, pp. 1038-1040(1984)

100. R.J. Lang, D. Mehuys, D.F. Welch and L. Golgberg, «Spontaneous filamentation in broad-area diode laser amplifiers», IEEE Journal of Quantum Electronics, v.30, No.3, pp.685-694 (1994)

101. B.W. Hakki and T.L. Paoli, "cw degradation at 300°K of GaAs double-heterostructure junction lasers. II. Electronic gain", Journal of Applied Physics, v.44, No. 9, pp.4113-4119 (1973)

102. C. Harder, К. Vahala and A. Yariv, «Measurement of the linewidth enhancement factor a of semiconductor lasers», Applied Physics Letters, v.42, No.4, pp.328-330 (1983)

103. A. Markus, J.X. Chen, O. Gauthier-Lafaye, J.-G. Provost, C. Paranthoen, A. Fiore, «Impact of intraband relaxation on the performance of a quantum-dot laser», IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, v.9, No.5, pp. 1308-1314 (2003)

104. S. Schneider, P. Borri, W. Langbein, U. Woggon, R.L. Sellin, D. Ouyang and D. Bimberg, «Linewidth enhancement factor in InGaAs quantum-dot amplifiers», ШЕЕ Journal of Quantum Electronics, v.40, No.10, pp.14231429 (2004)'

105. P:K. Kondratko, S.-L. Chuang, G. Walter, T. Chung and N. Holonyak, «Observations of near-zero linewidth enhancement factor in a quantum-well coupled quantum-dot laser», Applied Physics Letters, v.83, No.23, pp.48184820 (2003)

106. P.G. Eliseev, A.A. Ukhanov, A. Stintz and K.J. Malloy, «Gain and linewidth enhancement factor in InAs-quantum-dot and InAs-quantum-dash laser heterostructures», Proceedings of SPIE, v.5023, pp.350-352 (2002)

107. J. Muszalski, J. Houlihan, G. Huyet and B. Corbett, «Measurement of linewidth enhancement factor in selfassembled quantum dot semiconductor lasers emitting at 1310nm» Electronics Letters, v.40, No.7, pp.428-430 (2004)

108. S. Melnik, G. Huyet and A. Uskov, «The linewidth enhancement factor a of quantum dot semiconductor lasers», Optics Express, v. 14, No.7, pp.29502955 (2006)

109. S. Fathpour, Z. Mi and P. Bhattacharya, «High-speed quantum dot lasers», Journal of Physics D: Applied Physics, v.38, No.13, pp.2103-2111(2005)

110. A.A. Ukhanov, A. Stintz, P.G. Eliseev and K.J. Malloy, «Comparison of the carrier induced refractive index, gain, and linewidth enhancement factor in quantum dot and quantum well lasers», Applied Physics Letters, v.84, No.7, pp.1058-1060 (2004)

111. J.M. Vázquez, H.H. Nilsson, J.-Z. Zhang and I. Galbraith, «Linewidth enhancement factor of quantum-dot optical amplifiers», IEEE Journal of Quantum Electronics, v.42, No. 10, pp.986-993 (2006)

112. J. Oksanen and J. Tulkki, «Linewidth enhancement factor and chirp in quantum dot lasers», Journal of Applied Physics, v.94, No.3, pp. 1983-1989 (2003)

113. Carroll, I. O'Driscoll, S.P. Hegarty, G. Huyet, J. Houlihan, E.A. Viktorov and P. Mandel, «Feedback induced instabilities in a quantum dot semiconductor laser», Optics Express, v.14, No.22, pp.10831-10837 (2006)

114. F. Grillot, B. Thedrez, J. Py, O. Gauthier-Lafaye, V. Voiriot, J.L. Lafragette, «2.5 Gbit/s transmission characteristics of 1.3 mm DFB lasers with external optical feedback», IEEE Photonics Technology Letters, v. 14, No.l, pp.101— 103 (2002)

115. D. O'Brien, S.P. Hegarty, G. Huyet and A.V. Uskov «Sensitivity of quantum-dot semiconductor lasers to optical feedback», Optics Letters, v.29, No. 10, pp. 1072-1074 (2004)

116. J. Helms and K. Petermann, «A simple analytic expression for the stable operation of laser diodes with optical feedback», IEEE Journal of Quantum Electronics, v.26, No.5, pp.833-836 (1990)

117. P.M. Varangis, H. Li, G.T.Liu, T.C. Newell, A. Stintz, B. Fuchs, K.J. Malloy and L.F. Lester, «Low-threshold quantum dot lasers with 201 nm tuning range», Electronics Letters, v.36, No. 18, pp. 1544-1545 (2000)

118. H. Li, G.T.Liu, P.M. Varangis, T.C. Newell, A. Stintz, B. Fuchs, K.J.Malloy and L.F.Lester, «150-nm tuning range in a grating-coupled external cavity quantum-dot laser», IEEE Photonics Technology Letters, v.12, No.7, pp.759-761 (2000)

119. С. Henry, P. Henry and М. Lax, «Partition fluctuations in nearly single-longitudinal-mode lasers», IEEE Journal of Lightwave Technology, v.2, No.3, pp.209-216 (1984)

120. G.P. Agrawal, «Mode-partition noise and intensity correlation in a two-mode semiconductor laser», Physical Review A, v.37, No.7, pp.2488-2494 (1988)

121. M. Krakowski, P. Resneau, M. Calligaro, L. Huiyun and M. Hopkinson, «High Power, Very Low Noise, C.W. Operation of 1.32jim Quantum-Dot Fabry-Perot Laser Diodes», IEEE 20th International Semiconductor Laser Conference, pp.39-40 (2006)

122. R. Schimpe, «Theory of intensity noise in semiconductor laser emission», Physica B: Condensed Matter, v.52, No.4, pp.289-294 (1983)

123. M.A. Matin, K.C. Song, B.J. Robinson, J.G. Simmons and D.A. Thompson, «High-responsivity InGaAs/InP-based MSM photodetector operating at 1.3-jim wavelength», Microwave and Optical Technology Letters, v. 12, No.6, pp.310-313 (1998)