Динамика генерации излучения в полупроводниковых инжекционных лазерах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

гч. ст.

О ~ БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

сс: о

3 УДК 621.378.35

СХ.'

Афоненко Александр Анатольевич

ДИНАМИКА ГЕНЕРАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИНЖЕКЦИОННЫХ ЛАЗЕРАХ

01.04.21 - лаоерпая физика

Автореферат . диссертации на соискание ученой степени кандидата фиоихо-ыатемаютесктс наук

Минск, 1997

Работа выполнена на кафедре квантовой радиофишпси и оптоэлектроники Белорусского государственного университета

Научный руководитель:

Научный консультант:

кандидат физико-математических наук, доцент Манак И.С.

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Кононенко В.К.

Официальные оппоненты: член-корреспондент HAH Беларуси,

доктор фиоико-математических наук, профессор Цшбковский В.П.

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Борисов В.И.

Оппонирующая организация: Институт электроники

HAH Беларуси

Защита состоится » /2 » ^ио^д 1997 г. в /Ф^часов на заседании совета по защите диссертаций Д.02.01.17 в Белорусском государственном университете (220050, г.Минск, пр.Ф.Скорины, 4).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белгосуниверси-

тета.

Автореферат разослан »_£_» ¡крЛс^ 1997 г. Ученый секретарь совета по----//

защите диссертаций ■ Воропай Е.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Процесс совершенствования систем оптической обработки, передачи и хранения информации требует создания полупроводниковых источников лазерного излучения с заданными спектральными и динамическими характеристиками. Большими перспективами с этой точки зрения обладают лазерные гетерострукту-ры с квантовыми ямами разной ширины или состава, которые получили название асимметричных. Изменение конфигурация асимметричных квантоворазмерных гетероструктур — это еще один способ "зонной" инженерии по управлению спектральными, мощностными и динамическими характеристиками лазеров. Многослойные структуры открывают новые возможности для интегральной оптоэлектроники. Существенный вклад в свойства таких объектов наряду с квантовораомерными эффектами вносят нелинейные оптические явления. Актуальность исследования неравновесных электронно-оптических процессов в асимметричных квантоворазмерных гетероструктурах обусловлена тем, что они являются основой для разработки новых уникальных приборов полупроводниковой квантовой электроники, создания аналогов существующих функциональных элементов: бистабидьных лазерных диодов и генераторов регулярных импульсов излучения с технологически более удобной планарной конструкцией.

Республика Беларусь имеет большой научный потенциал, широко развитую сеть полупроводниковых, радиоэлектронных и оптико-электронных производств, уникальное оптическое приборостроение. Развитие наукоемких производств является первоочередной задачей республики, не имеющей собственных сырьевых ресурсов. Однако потребности республики в изделиях полупроводниковой квантовой электроники для лазерных аудиосистем и волоконно-оптических линий связи до сих пор удовлетворяются поставками из России (НПО "Полюс" и НИИ "Волга"). Анализ тенденций развития квантовой электроники указывает на приоритетный характер работ в области полупроводниковых лазеров. Сдерживание работ в данном направлении может привести к значительному отставанию Беларуси от передовых стран мирового сообщества. Тем более, что уровень развития теоретических знаний об объекте исследовавши, подтверждаемых на практике, достаточно высок и позволяет эффективно использовать компьютерное моделирование как способ разработки и проектирования новых лазерных структур, не требующий больших капитальных затрат.

Настоящее исследование посвящено изучению динамических процессов в инжекционных гетеролазерах и ориентированно на выявление способов управления характеристиками генерируемого излучения, определения оптимальных конфигураций лазерных гетероструктур. Представленные в работе результаты позволяют сформулировать основные принципы создания полупроводниковых лазеров с новыми функциональными возможностями.

Связь работы с научными программами. Данная диссертационная работа соответствует научному направлению кафедры квантовой радиофизики и оптоэлехтроники Белгосуниверситета и выполнялась в рамках научно-исследовательских тем Фонда фундаментальных исследований РБ "Разработка и исследование программируемых полупроводниковых лазеров с дискретной перестройкой параметров на основе синтезируемьи воздействий", "Разработка физических принципов создания нанораз-мерных полупроводниковых элементов функциональной электроники" и "Управление электронно-оптическими процессами в лазерных нанораз-мерных системаха также тем Министерства образования РБ "Компьютерное моделирование и анализ физических процессов в квантово-размерных и интегральных инжекционных лазерах" и "Анализ неравно весных электронных и оптических процессов в полупроводниковых источниках излучения".

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы было выявление закономерностей изменения динамических и мощностныэ характеристик излучения полупроводниковых инжекционных лазеров, I том числе квантоворазмерных, при вариации параметров активной обла сти, и предложение эффективных способов управления режимами работь лазерных диодов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

— изучение переходных процессов генерации излучения в одномо довом инжекционном лазере и лазере с насыщающимся поглотителем ] резонаторе с учетом процессов нелинейного усиления;

— развитие модели излучательных переходов без правила отбора п< волновому вектору электрона применительно к структурам пониженно] размерности;

— расчет волноводных характеристик асимметричных квантово размерных гетероструктур и определение параметров оптического огра ничения квантоворазмерных слоев;

— исследование процессов инжекции в асимметричных полупровор никовых гетерострухтурах с квантовыми ямами при неоднородном вое

буждении;

— анализ динамики генерации излучения в квантоворазмерных ге-терострухтурах с учетом нелинейной электронно-оптической связи

ду различными квантовыми ямами и определение оптимальных параметров активной области, таких, как конфигурация запрещенной зоны, степень легирования и толщины активных и барьерных слоев, для реализации режимов бистабильности мощности излучения и генерации регулярных импульсов излучения на нескольких далекоразнесенных длинах волн;

— определение степени влияния нелинейного усиления на динамику многочастотной генерации излучения в асимметричных квантоворазмер-ных гетероструктурах.

Научная новизна полученных результатов.

1. Получены аналитические выражения для амплитуды и длительности первого релаксационного импульса излучения в одномодовом инжек-ционном лазере с учетом нелинейного усиления, и установлена возможность однозначного определения по характеристикам переходного процесса параметров активной области лазерного диода, таких, ках дифференциальное усиление, время жизни фотонов в резонаторе и фактор нелинейного усиления.

2. Исследовано влияние нелинейного поглощения в области насыщающегося поглотителя на динамику генерации лазера с модуляцией добротности. Показано, что данный эффект приводит к увеличению амплитуды и уменьшению длительности импульсов излучения, а также расширяет диапазон токов, при которых существуют самоподдерживающиеся пульсации излучения.

3. Предложены физическая и математическая модели излучатель-ных переходов без правила отбора по волновому вектору электрона в структурах пониженной размерности. Показано, что вероятность оптических переходов зависит от толщины квантоворазмерного слоя таким образом, что при уменьшении ширины квантовой ямы вплоть до размеров, сравнимых с эффективным боровским радиусом примеси, плотность тока инверсии не возрастает, как считалось ранее, а с стается практически постоянной.

4. В рамках теории нелинейного усиления вследствие нагрева носителей рассчитаны параметры насьпцеши усиления в квантоворазмерных гетеролаоерах, генерирующих на нескольких далекоразнесенных длинах волн. Показано, что процесс нагрева носителей ведет к аффективному взаимодействию генерирующих мод. На основе учета нелинейных эффектов взаимодействия генерирующих мод дано объяснение известных

из литературы экспериментальных данных по динамике двухчастотнои генерации в асимметричных гетероструктурах с двумя квантовыми ямами, когда после подачи тока накачки при наличии релаксационных колеба-шш интенсивности более коротковолнового иолучения процесс развития генерации более длинноволнового излучения происходит практически без релаксационных пульсаций.

5. Цзучены особенности процессов инжекции в многослойных асимметричных гетероструктурах при неоднородном возбуждении квантовых ям. Найдено, что дифференциальная частота выбросов носителей из квантовой ямы может во много раз превышать величину, обратную времени жизни носителей при спонтанных переходах. Определены условия жесткого включения генерации и существования самоподдерживающихся пульсаций излучения ка нескольких длинах волн в асимметричных кван-товораэмерных гетероструктурах. Показано, что инжекционная связь между квантовыми ямами, заключающаяся в зависимости коэффициента инжекции в квантовую яму от ее заселенности и уровня возбуждения соседних квантовораомерных слоев, препятствует выполнению условия жесткого включения генерации и способствует реализации самоподдерживающихся пульсаций излучения.

Практическая значимость работы.

1. Получены аналитические выражения для амплитуды и длительности первого релаксационного импульса излучения в одномодовом ин-жекционном лазере с учетом нелинейного усиления, которые могут быть использованы в инженерных расчетах при проектировании и оптимизации быстродействующих инжекционных лазеров, а также при экспериментальном определении параметров лазерного диода, таких, как время жизни фотонов в резонаторе и фактор нелинейного усиления.

2. Использование разработанной модели излучательных переходов без правила отбора по волновому вектору электрона позволяет определить пороговые и спектральные характеристики квантовораомерных лазеров с легированной активной областью в зависимости от ширины квантовой ямы.

3. Предложены новые элементы функциональной оптоэлектроники: бистабильный лазерный излучатель и генератор регулярных импульсов излучения на нескольких далекоразнесенных длинах волн. ■

Практическая значимость полученных результатов подтверждается двумя патентами на изобретения.

Экономическая значимость подученных результатов. Проведено дальнейшее совершенствование топологии лазерных кванто-

воразмерных гетерострухтур, отличающихся малым энергопотреблением и невысокой стоимостью по сравнению с другими типами лазеров. Предложенные элементы функциональной оптоэлехтроники - бистабил*-ные лазерные источники и генераторы регулярных импульсов излучения - могут быть изготовлены с использованием планарной технологии, отличающейся высокой надежностью и воспроизводимостью параметров лазерных диодов.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Аналитические выражения, полученные при решении системы скоростных уравнений для носителей заряда и фотонов с учетом нелинейного усиления и связывающие амплитуду и длительность релаксационных импульсов излучения с параметрами лазерного диода.

2. В полупроводниковых лазерах с насыщающимся поглотителем эффекты выгорания пространственных и спектральных провалов и процессы динамичесхого нагрева носителей тока светом приводят к насыщению поглощения при неизменной концентрации неравновесных носителей, что увеличивает амплитуду и уменьшает длительность импульсов генерации, а также расширяет диапазон токовл при которых существуют самоподдерживающиеся пульсации излучения.

3. Вероятность оптических переходов в сильнолегированной активной области, полученная с учетом эффекта размерного квантования для волновых функций носителей заряда, локализованных на примесях, начинает изменяться при уменьшении ширины активной области до размеров на порядок превышающих эффективный боровский радиус примеси, а при дальнейшем уменьшении размеров становится прямо пропорциональной ширине хвантовой ямы.

4. Динамическая модель инжекционных лазеров на асимметричных квантоворазмерных гетерострухтурах с неоднородным возбуждением активных слоев, учитывающая процессы баллистического переноса и туннелировшшя носителей тока через барьерные слои, нагрев носителей излучением на нескольких далекоразнесенных длинах волн и оптическую связь между квантовыми ямами.

5. Режимы генерации регулярных импульсов излучения на нескольких дшшах волн или бистабильного переключения мощности излучения могут быть реализованы в многослойных асимметричных гетерострухтурах, в которых активные и пассивные области выполнены в виде нано-размерных слоев, разделенных для достижения неоднородного возбуждения легированными широкозонными барьерными областями.

Личный вклад соискателя. Все приведенные в диссертации резуль-

*

таты получены лично соискателем и проанализированы вместе с научным руководителем и научным консультантом. В совместной работе с В.Г.Пикуликом последний выполнил экспериментальную часть по исследованию динамики генерации в инжекциоиных лазерах. Другие соавторы работ занимались, изучением вопросов, не вошедших в диссертацию.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты исследования, представленш : в диссертации, докладывались и обсуждались на международных и республиканских конференциях и симпозиумах: VII Международной конференции "Оптика Лазеров" (С.-Петербург, 1993); SPIE's Int. Symp. (San Diego, 1993), (Lindau, 1994), (San José, 1995,1997); I, II, III Международных конференциях по лазерной физики и спектроскопии (Гродно, 1993,1995,1997); II Международном симпозиуме "Физические принципы и методы оптической обработки информации" (Гродно, 1993); III ежегодном семинаре "Нелинейные явления о сложных системах" (Полоцк, 1994); Int. Conf. Nonlinear processes in complex systems (Minsk, 1995); Adriático Research Conf. on Ultrafast Phenomena and Applications (TYieste, 1994); II Int. Conf. Nanomeeting'95 (Minsk, 1995); Conf. on Semiconductor and Integrated Optoelectronics (Cardiff, 1996); AeroSense'96 Symposium, Conf. "Photonic Component Engineering and Applications"(Orlando, 1996); Conf. on Lasers and Electro-Optics, (Anaheim, 1996); II конференции "HOMATEX-96" (Минск, 1996); Межгосударственной научно-технической конференции по квантовой электронике (Минск, 1996); 10th Meeting on Optical Engineering in Israel (Jerusalem, 1997); 2 Белорусско-Российском семинаре "Полупроводниковые лазеры и системы на их основе" (Минск, 1997).

Опубликованность результатов. По результатам выполненных исследований опубликовано 35 научных работ, в том числе 18 статей, 2 препринта, 12 тезисов докладов, получено 2 патента на изобретения, издано 1 учебное пособие.

Объем и структура работы. Работа изложена на 131 листе машинописного текста, содержит 55 рисунков, 3 таблицы и список цитируемой литературы, включающий 146 наименований. Работа состоит из введения, литературного обзора (глава 1), теоретической части (главы 2-4), выводов, списка основных публикаций по теме диссертации,списка использованной литературы. •

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит оценку современного состояния решаемой проблемы, основные и исходные данные для разработки темы, обоснованию необходимости выполнения работы.

Общая характеристика работы содержит обоснование актуальности темы, цель и задачи исследования, научную новизну, практическую и экономическую значимость полученных результатов. Здесь же приведены защищаемые положения, указаны личный вклад автора, апробация и опубликованность результатов, структура диссертации.

Первая глава диссертащш - обзорная и посвящена общей характеристике полупроводниковых инжекционных лазеров; сформулированы основные задачи диссертационной работы.

Обычно процессы, происходящие в полупроводниковых лазерах, описываются с помощью скоростных уравнений, которые принимают во внимание два основных эффекта: усиление электромагнитного поля в результате вынужденных переходов и обратное влияние, оказываемое усиливаемым светом на активную среду. Для хорошего согласования с экспериментальными результатами в теоретических расчетах необходимо учитывать эффекты нелинейного усиления. К появлению нелинейного усиления приводит ряд процессов: выгорание пространственных и спектральных провалов, динамический нагрев носителей излучением,'зависимость дисперсии показателя преломления от концентрации носителей, возникновение диэлектрической дифракционной решетки внутри резонатора в поле стоячей электромагнитной волны. Однако до настоящего момента нет оснований считать какой либо механизм доминирующим.

Для увеличения мощности и уменьшения длительности генерируемых импульсов в инжекционных лазерах используется метод модуляции добротности. Область насыщающегося поглотителя обычно формируют путем бомбардировки полупроводника пучком быстрых ионов. Отмечается, что экспериментальные и теоретические результаты по динамике генерации имеют хорошее качественное и только удовлетворительное количественное соответствие. К малоизученным вопросам следует отнести влияние механизмов нелшгейного усиления на характеристики поглощающей среды.

Развитие технологии выращивания квантоворазмерных гетеро-структур привело к появлению лазерных элементов, излучающих на дале-коразнесенных длинах волн. Переключение длины волны генерации при изменении тока накачки реализовано в асимметричных квантоворазмерных гетеролазерах. Однако существовавшая х моменту постановки за-

*

дачи диссертационного исследования теоретическая модель генерации в асимметричных квантоворазмерных гетероструктурах не давала даже качественного объяснения некоторых особенностей переходных процессов, связанных с конкуренцией мод.

Анализ излучательных характеристик, квантовораомерных лазерных структур с легированной активной областью показал, что расчет скорости рекомбинации и коэффициента усиления в существующей модели без правила отбора по волновому вектору приводит к некоторым нефизичным результатам. Например, а ох инверсии неограниченно возрастает при уменьшении ширины квантовой ямы. Таким образом, модель без правила отбора по волновому вектору требует своего пересмотра применительно к квантоворазмерным структурам.

Вторая глава посвящена изучению импульсной генерации излучения при модуляции усиления и потерь в инжекционных лазерах.

Проведенный теоретический анализ переходных процессов в одно-модовом инжекционном лазере с учетом нелинейного усиления показал, что амплитуда 5таа и длительность 61 первого релаксационного импульса излучения при подаче ступеньки тока накачки связаны с параметрами лазерного диода как

1

« -

б

ехр

1п[1+£(5,»(1 -г,) + Дп_)] - г«1п[1+|-Дпга«

1-г.

9/

¿1 И

2Лптжх

где - стационарная плотность фотонов, Дптах - превышение концентрации носителей над пороговой величиной, К( - коэффициент потерь излучения, д - дифференциальное усиление, уй - скорость света в кристалле, е - параметр нелинейного усиления, г, = е^/д. Амплитуда релаксационного импульса больше в структурах с малыми величинами фактора нелинейного усиления и вклада спонтанного излучения в лазерную моду и большим значением дифференциального усиления. Длительность импульсов излучения в значительной степени определяется дифференциальным усилением и уменьшается при его увеличении.

Рассмотрение механизмов насыщения, которые нашли наибольшее отражение в научной литературе, таких, как выгорание пространственных и спектральных провалов, нагрев носителей светом, показывает, что в поглощающей области лазерной структуры эти процессы также должны иметь место. Для учета нелинейных эффектов в стандартных скоростных

уравнениях для плотности фотонов 5 и средней концентрации носителей в поглощающей области щ по аналогии с эффектом насыщения усиления необходимо использовать коэффициент поглощения, зависящий от 5: С(п1,5) = С(п1(0)/(1 + «15), где С1 - фактор нелинейного поглощения. Влияние нелинейного поглощения на режимы генерации полупроводникового лазера с неоднородным возбуждением заключается в способствовании выполнению условия существования пульсаций излучения, а также в увеличении амплитуды импульсов излучения.

Анализ совокупности характеристик переходного процесса, таких, как зависимости от тока накачки частоты и постоянной затухания релаксационных пульсаций, амплитуды первого релаксационного пичка излучения, позволяет определить величину параметра нелинейного усиления без априорного знания времени жизни фотонов в резонаторе, что невозможно в существующих способах, использующих модуляционные характеристики.

Третья глава посвящена изучению особенностей физических процессов в асимметричных квантоворазмерных гетероструктурах.

Расчеты зонного профиля и эффективности инжекции асимметричных квантоворазмерных гетерострухтур на основе совместного интегрирования уравнения Пуассона и уравнений непрерывности для электронного и дырочного токов с учетом процессов туннелирования и баллистического переноса показывают, что в системе тройного соединения А1хСа.1_хАз разделение квантовых ям широкозонным барьерным слоем х > 0.3 толщиной около 25 нм и уровнем легирования порядка 1018 см-3 приводит к неоднородному возбуждению квантоворазмерных слоев. В таких структурах концентрации электронов и дырок в квантовых ямах хотя и не связаны уравнением электронейтральности, а величина объемного заряда в активных слоях зависит от уровня возбуждения, однако существует однозначное соответствие между концентрациями электронов и дырок. Получено приближенное аналитическое выражения для барьерного тока из квантовой ямы г в соседнюю квантовую яму к

где Д Р^ц - разности квазиуровней Ферми в квантовых ямах гик, -параметр структуры. Перенос носителей всегда осуществляется из более возбужденной в менее возбужденную квантовую яму. При условиях лазерной генерации зависимость барьерного тока от концентраций носителей становится более сильной, чем квадратичная, поэтому дифференциальная частота выбросов носителей из квантовой ямы может суше-

ственно превышать величину, обратную времени жизни носителей при спонтанных переходах.

При уменьшении ширины активной области до размеров порядка Юао, где ао - эффективный боровский радиус примеси, эффекты раз. мерного квантования начинают влиять на волновые функции носителей, локализованных на примесях, что приводит к изменению вероятности оптических переходов по сравнению величиной А = 32тг а^А^,, где А„

- коэффициент Эйнштейна для межзонных переходов, рассчитанной для объемных полупроводников. Проведенный анализ показывает, что при дальнейшем уменьшении ширины квантовой ямы <1 вплоть до размеров, сравнимых с ао, вероятность оптических переходов в сильнолегированной активной области находится как А = 4яа1<1Ап. В предположении постоянства инжекционной эффективности величина тока инверсии практически не зависит от толщины квантоворазмерного слоя.

Рассмотрение волноводных характеристик асимметричных кванто-воразмерных гетероструктур показывает, что описание снижения модо-вого усиления по сравнению с усилением плоской волны с помощью параметра оптического ограничения Г, определенного как доля мощности электромагнитной волны, переносимой внутри активной области, имеет погрешность около 10% по сравнению с точным решением, полученным на основе модели, использующей понятие комплексной диэлектрической проницаемости. Различие в подходах по определению параметра оптического ограничения наиболее существенно проявляется при нахождении отношения между параметрами оптического ограничения ТЕ- и ТМ-мод. Например, использование первого определения Г для системы тонких плоскопараллельных слоев приводит к тому, что оптическое ограничение ТЕ-моды оказывается приблизительно в (е,е0/бI) раз выше оптического ограничения ТМ-моды, в то время как точный расчет дает отношение {е\еа/е\), где е^ 61 и еа — диэлектрические проницаемости активного слоя, обкладок и эффективная диэлектрическая проницаемость центральной волноводной части структуры соответственно.

Влияние процессов нагрева носителей в квантовых ямах при одновременной генерации излучения на нескольких далекоразнесенных длинах волн А;- может быть учтено в стандартных скоростных уравнениях при модификации коэффициента усиления в виде

где С?(А^) - коэффициент усиления в отсутствии лазерного излучения,

- плотность фотонов излучения длины волны Ху, Параметры нелинейного

усиления €ц' оказываются прямопропорциональными времени термализа^ ции носителей (порядка единиц пихосекунд). Коэффициенты е_,у, описывающие взаимодействие мод ] ф $ вследствие динамического разогрева носителей светом, сравнимы с коэффициентами ец, описывающими само-поздействие мод, и имеют значение в пересчете на объемные величины порядка Ю-17 см3. Сравнение рассчитанных характеристических параметров, описывающих режим свободной генерации при малом отклонении от положения равновесия, и амплитудно-частотных характеристик, полученных путем решения полной системы скоростных уравнений, включающих балансные уравнения для энергии носителей и неравновесных фо-нонов, и упрощенной системы уравнений, учитывающей влияние нагрева носителей посредством параметров насыщения, показало, что оба подхода дают хорошее качественное и удовлетворительное количественное соответствие между собой.

Четвертая глава посвящена анализу режимов генерации в кванто-воразмерных асимметричных гетеролазерах различной конфигурации.

Для проверки разработанной и представленной в третьей главе модели, учитывающей особенности физических процессов в асимметричных квантоворазмерных гетеролазерах, рассмотрена известная из литературных источников структура, имеющая две квантовые ямы и излучающая на двух длинах волн. Основное различие экспериментальных результатов с теоретическими, полученными на основании теории, предложенной авторами (Псе<1а Б., ЗЫпиги А., 1991), заключается в невозможности объяснить мощный импульс коротковолнового излучения при начале генерации и плавное, без видимых релаксационных пульсаций, нарастание мощности длинноволнового излучения. Заслуживает также внимание такая черта статических мощностных характеристик излучения, как резкое переключение длины волны генерации при изменении тока накачки на несколько процентов. Как следует из рассмотрения скоростных уравнений более общего вида с учетом нелинейного усиления, хорошее соответствие теоретических и экспериментальных данных достигается при наличии в уравнениях членов, описывающих нелинейное перекрестное взаимодействие мод, при дополнительном условии, что дифференциальная частота выбросов носителей из квантовой ямы существенно превышает величину, обратную времени жизни носителей при спонтанных переходах. В качестве причины возникновения такого нелинейного усиления рассмотрен динамический разогрев носителей светом, в то время как процессы выгорания спектральных и пространственных провалов, возникновение диэлектрической дифракционной решетки внутри резонатора в поле сто-

ячей электромагнитной волны приводят к неадекватным эксперименту результатам.

Как показало дальнейшее изучение свойств лазеров на асимметричных гетероструктурах с двумя квантовыми ямами, кроме переключения длины волны генерации с изменением тока накачки возможны другие режимы. При соответствующем подборе параметров в таких структурах можно реализовать режимы бистабильного включения мощности и генерации самоподдерживающихся импульсов излучения. Бистабильный режим генерации осуществляется в структуре, в которой одна квантовая яма служит насыщающимся поглотителем для излучения, генерируемого в соседней квантовой яме. Как следует из полученного условия жесткого включения генерации, зависимость инжекционной эффективности в квантовые ямы от уровня заселенности их подзон препятствует осуществлению бистабильного режима работы. Для уменьшения этого нежелательного влияния ток инжекции в поглощающую квантовую яму должен быть малым.

Анализ устойчивости системы скоростных уравнений, описывающих генерацию на двух длинах волн в структуре с двумя квантовыми ямами показывает, что самоподдерживающиеся пульсации возникают, если коротковолновое излучение поглощается в квантовой яме, генерирующей длинноволновое излучение. По существу, процесс стимулированного испускания на большей длине волны приводит к уменьшению эффективного времени жизни носителей в поглощающей квантовой яме. В обычных лазерах с насыщающимся поглотителем для этих целей производится отдельная технологическая операция по разупорядочению полупроводникового материала. Использование квантоворазмерных структур с тремя квантовыми ямами при соответствующем подборе параметров позволяет осуществить режим генерации регулярных пульсаций на трех длинах волн.

Особенностью режима пульсаций в асимметричных гетеролазерах, по сравнению с лазерами с насыщающимся поглотителем, является наличие осцилляций коэффициента эффективности инжекции носителей в квантовые ямы при изменении их населенности. Возникающий дополнительный синхронизирующий эффект способствует поддержанию режима регулярных пульсаций, когда импульсы излучения различных длин волн чередуются друг с другом.

13

выводы

1. С помощью полученных аналитических выражений для амплитуды и длительности первого релаксационного импульса получения в од-номодовом инжекционном лазере с учетом нелинейного усиления установлена однозначная связь между параметрами активной области лазерного диода, такими, как дифференциальное усиление, время жизни фотонов в резонаторе и фактор нелинейного усиления, и характеристиками переходного процесса, включая зависимости от тока накачки частоты и постоянной затухания релаксационных пульсаций, а также амплитуды импульсов излучения.

2. Эффект нелинейного поглощения излучения при неизменной средней концентрации неравновесных носителей тока, оказывает заметное влияние на динамику генерации излучения в полупроводниковых лазерах с насыщающимся поглотителем, заключающееся в увеличении амплитуды и уменьшении длительности импульсов излучения, а также расширении диапазона токов, при которых существуют самоподдерживающиеся пульсации излучения. Фактор нелинейности в поглощающих областях, полученный для таких механизмов нелинейного усиления, как выгорание пространственных и спектральных провалов или динамический разогрев носителей светом, сравним с аналогичным параметром нелинейного усиления.

3. Для квантоворазмерных многослойных лазерных гетерострук-тур показано, что определения параметра оптического ограничения как доли мощности электромагнитной волны в активном слое и как отношение модового усиления к усилению плоской волны, являются неравнозначными. Наиболее существенное отличие наблюдается при расчете отношения параметров оптического ограничения для ТЕ- и ТМ-мод, которое при использовании второго определения по сравнению с первым для системы ваАа — АЮаАа оказывается приблизительно на 15% выше.

4. Развита модель излучательных переходов без правила отбора по волновому вектору электрона применительно к структурам пониженной размерности. Показано, что вероятность оптических переходов зависит от толщины квантоворазмерного слоя, вследствие чего при уменьшении ширины квантовой ямы до размеров, сравнимых с эффективным воровским радиусом примеси, плотность тока инверсии остается практически постоянной.

5. Коэффициент инжекции носителей тока в квантовую яму многослойной лазерной гетероструктуры падает при увеличении населенности уровней подзон в квантовой яме и растет при повышении уровня вообу-

ждения соседних хвантоворазмерных слоев. При этом дифференциальная частота выбросов носителей из квантовой ямы может во много раз превышать величину, обратную времени жизни носителей при спонтанной излучательной рехомбинации, и при генерации импульсов излучения перепады коэффициентов инжекции в квантовые ямы могут достигать величин, сравнимых с единицей.

6. Дано объяснение особенностей экспериментальных статических и динамических характеристик асимметричных хвантоворазмерных ге-теролазеров путем включения в скоростные уравнения нелинейного усиления, учитывающего взаимодействие мод на далекоразнесенных длинах волн. Показано, что одной из основных причин нелинейного усиления может служить динамический разогрев носителей светом, в то время как процессы выгорания спектральных и пространственных провалов или возникновение диэлектрической дифракционной решетки в поле стоячей электромагнитной волны дают неадекватное описание экспериментальных результатов.

7. Показано, что в режиме стационарной генерации переключение длины волны осуществляется при изменении тока накачки в асимметричной квантоворазмерной лазерной гетероструктуре с большим коэффициентом потерь излучения, в которой длинноволновое излучение усиливается в одной квантовой яме, а коротковолновое излучение - в обеих квантовых ямах. Жесткое включение генерации осуществляется в структуре, в которой одна квантовая яма поглощает излучение, генерируемое в другой квантовой яме, а энергия переходов между основными уровнями подзон электронов и дырок в поглощающей квантовой яме близка к энергии генерируемых фотонов. Генерация регулярных пульсаций излучения осуществляется в структуре с высокой добротностью резонатора, в которой коротковолновое излучение поглощается в квантовой яме, генерирующей длинноволновое излучение. На основе многослойных асимметричных квантоворазмерных гетероструктур, в которых различные квантовые ямы, разделенные легированными широкозонными барьерными слоями, образуют активные и пассивные области, предложены новые элементы функциональной оптоэлектроники - бистабильные лазерные устройства и генераторы незатухающих оптических импульсов ш нескольких далекоразнесенных длинах волн.

Список основных публикаций по теме диссертации

1. Афоненко A.A., Манак И.С. Теоретический анализ физических про цессов в одномодовых ишкекционных лазерах в режиме свободной гене

рации // Лазерная и оптихо-элехтроннан техника: Межвуз. сб. науч. тр. Вып.2.-Мн.: БГУ, 1992. -С.12-27.

2. Афоненко А.А., Кононенко В.К., Манак И.С. Бистабильный режим генерации в квантоворазмерных лазерах // Письма ЖТФ. -1993. -Т.19, Na-9. -С.35-39.

3. Kononenko V.K., Manak I.S., Afonenko А.А. Radiation oscillation processes in quantum-well heterolasers// Proc.SPIE.-1993.-Vol.2093.-P.66-77.

4. Афоненко А.А., Манак И.С., Пикулик В.Г. Источники оптического излучения пикосекундного диапазона на инжекционных лазерах для свето-дальнометрт! // Оптический журнал. -1993. -N-10. -С.бб-71.

5. Афоненко А.А., Кононенко В.К., Манак И.С. Режим регулярных пульсаций в лазерах с двумя квантовыми ямами// Письма ЖТФ. -1994. -Т.20, N-2. -С.57-61.

6. Афоненко А.А., Кононенко В.К., Манак И.С. Бистабильный лазерный излучатель// Изв. АН. Сер.физическая. -1994. -Т.58, 2. -С.70-73.

7. Afonenko А.А., Kononenko V.K., Manak I.S. Instability of optical processes in asymmetric injection-imbalanced quantum-well heterostructures // Advances in Synergetics. -1994. -Vol.2. -P.346-352.

8. Afonenko A.A., Manak I.S., Kononenko V.K. Nonlinear electron-optical processes in asymmetric structures with quantum well// Proc. SPIE. -1994. -Vol.2212. -P.484-492.

9. Afonenko A.A., Kononenko V.K., Manak I.S. Current injection and recombination processes in asymmetric triple-quantum-well lasers // Proc. SPIE. -1995. -Vol.2399. -P.329-334.

10. Afonenko A.A., Kononenko V.K., Manak I.S. Influence of injection tie between quantum welb in asymmetric heterostructures on lasing dynamics// Physics, Chemistry and Application of Nanostructures. -Minsk: BSUIR, 1995. -P.68-72.

11. Afonenko A.A., Kononenko V.K., Manak I.S. Current injection efficiency in asymmetric heterostructures with inhomogeneous excitation of quantum wells// Physics, Chemistry and Application of Nanostructures. -Minsk: BSUIR, 1995. -P.121-125.

12. Афоненко A.A., Манак И.С. Одномодовый инжекционный лазер в режиме свободной генерации // Тез. докл. II международной конф. по лазерной физике и спектроскопии. -Гродно: Г£>ГУ, 1995. -С.79-81.

13. Афоненко А.А., Кононенко В.К. Манак И.С. Теория полупроводниковых лазеров: Учебное пособие. -Мн.: БГУ, 1995. - 108с.

14. Патент РБ №1099, МКИ5 H01S 3/19. Бистабильный полупроводниковый лазерный элемент. Кононенко В.К., Афоненко А.А., Манак И.С.

(РБ); ИФ им.Б.И.Степанова АНБ РБ. -ЛГП114А; Заявл. 31.12.93; Опубл 14.03.1996; -4с.

15. Патент РБ ЛГа1385, МКИ5 H01S 3/19. Полупроводниковый лазер Афоненхо A.A., Кононенхо В.К., Манак И.С. (РБ); Белгосуниверситет -iV£2018; Заявл. 01.07.94; Опубл. 16.09.1996; -9с.

16. Afonenko А.А, Kononenko V.K., Manak I.S. Regular pulsations asym metric multiple quantum-well heterostructure laser radiator// Proc. SPIE -1996. -Vol.2749. -P.2-10.

17. Афоненко A.A. Влияние эффектов насыщения усиления на генерацик импульсов излучения в инжекционных лазерах // Радиофизика и элек троника. Выл.2. -Мн.: БГУ, -1996. -С.44-49.

18. Скорость излучательной рекомбинации в квантоворазмерных струх турах в модели без правила отбора / А.А.Афоненко, В.К.Кононенко И.С.Малак, В.А.Шевцов // ФТП. -1997. -Т.31, -C.I087-I09I.

РЕЗЮМЕ Афоненко Александр Анатольевич ДИНАМИКА ГЕНЕРАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИНЖЕКЦИОННЫХ ЛАЗЕРАХ

Лазер, полупроводник, гетероструктура, квантоворазмерный, ин жекция, динамика, генерация, бистабильность, пульсации, поглоти тель, усиление, рекомбинация, нелинейность, насыщение.

На основе скоростных уравнений изучено влияние нелинейного уси ления на процесс генерации импульсов излучения и получены аналитиче ские выражения для амплитуды и длительности релаксационных импуль сов излучения.

Развита модель без правила отбора по волновому вектору для кван товоразмерных лазеров, в которой с учетом размерного квантования по лучена вероятность оптических переходов.

В асимметричных квантоворазмерных гетеролазерах исследоваш процессы инжекции в условиях неоднородного возбуждения квантовых я] и оценено влияние нелинейного усиления вследствие нагрева носителей н генерацию излучения на нескольких далекоразкесенных длинах волн.

Выявлены закономерности изменения динамических и мощностны характеристик излучения асимметричных квантоворазмерных гетеролг оеров при вариации параметров активной области и предложены элем« ты функциональной оптоэлектронихи на юс основе: бистабильный лазе^ ный излучатель и лазерный генератор регулярных импульсов излучен» на двух далехоразнесенных длинах волн.

РЭЗЮМЭ Афоненха Аляксшодр Анатольевй ДЫНАМ1КА ГЕНЕРАЦЬП ВЫПРАМЕНЬВАННЯ # ПА^ПРАВАДНЖОВЫХ 1НЖЭКЦЫЙНЫХ ЛАЗЕРАХ

Лазер, naynpaeadiiin, гетэраструктура, квантаеапамерны, тжэк-чьи, дынамгка, генерацыя, бгстабилънасцъ, пулъсацъп, паглыналътк, уз-мацнепне, рэкамбтацыя, нелтейнасць, пасышчэпне.

На аснове хутхасных урауненняу вывучаны уплыу нелшейнага ^омацнення на працэс генерацьп шпульсау выпраменьвання i атрыма-ны аналтчныя выражэнш для амплгсуды i працягласщ р елахсацыйных 'шпульсау вьшраменьвання.

Радвгга мадэль бео правша адбору па хвалеваму вектару для кван-тавапамерных лазерау, у яхой о ynixaM памернага квайтавання атрымана 1малернасць аптычных пераходау.

У ас1метрычных квантавапамерных гетэралааерах даследаваны працосы шжэкцьп ва умовах неаднароднага уэбуджоння хвантавых ям i ацэнены уплыу нелшейнага узмацнення У вышку награвадня носьб1тау на генерадьпо выпраменьвання на некалыих далека раанесеных даужынях хваляу.

Выяулены оаканамернасвд омянення дынам1чных i магутнасных ха-рактарыстык вьшраменьвання ааметрычзгых квантавапамерных гетэра-лаоерау пры варыяцьц параметрау у ахтыунай вобласщ i прanаналаны элементы фунхцыянальнаи оптаэлехтронк1 на ix аснове: б1стаб!льныя ла-осрныя выпрамсньвалыша i лазерныя генератары рэгулярных 1мпульсау вьшраменьвання на двух далека раанесеных даужынях хваляу.

SUMMARY Afonenko Alexander Anatolyevich DYNAMICS OF LASING IN SEMICONDUCTOR INJECTION LASERS

Laser, semiconductor, heterostructure, quantum well, injection, dynamics, generation, bistability, pulsations, absorber, gain, recombination, nonlin-earity, saturation.

Based on rate equations, influence of the nonlinear gain on processes of generation of radiation pukes in semiconductor injection lasers has been studied and analytical expressions for the magnitude and duration of relaxation pukes of radiation have been derived.

The model with no ¿-selection rule for quantum-well lasers has been developed and the optical transition probability accounting the effect of dimensional quantization has been obtained.

Injection processes at inhomogeneous excitation of quantum wells in asymmetric quantum-well heterostructure lasers have been investigated and influence of the gain nonlinearity due to carrier heating on the generation of radiation at several remote wavelengths has been estimated.

Regularities in changing the dynamic and power characteristics of radiation in asymmetric quantum-well heterostructure lasers have been determined at variation of the active region parameters. The elements of functional optoelectronics, such as bistable laser sources and laser generators of regular pukes of radiation at several remote wavelengths, have been proposed.