Фазировка излучения квантово-размерных инжекционных лазеров тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

г 1: О")

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи УДК 535.015: 621.3.038.5

КОСЫХ АНДРЕИ ЕВГЕНЬЕВИЧ

ФАЗИРОВКА ИЗЛУЧЕНИЯ КВАНТ0В0-РАЗМЕРНЫХ ИНХЕКЦИОННЫХ ЛАЗЕРОВ

01.04.03 - радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА - 1994

Работа выполнена на кафедре физики колебаний физического факультета МГУ.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор ЛОГГИНОВ A.C.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор КАНДИДОВ В.П.

Ведущая организация: Московский инженерно-физический институт

факультета МГУ по адресу:

I19899, Москва, Ленинские горы, физический факультет МГУ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.

кандидат технических наук.

старший научный сотрудник ЗВЕРКОВ М.В.

им. М.В.Ломоносова, ауд. ^'

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат физико-математических наук

Лебедева И.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию проблемы фазировки излучения многоэлементных инжекционных лазеров (ИЛ), а также ИЛ с широким контактом, изготовленных с использованием современных полупроводниковых технологий на основе двойных гетероструктур (ДГС) и гетеро-структур с квантово-размерноа (КР) активной областью. Тема диссертации связана с выполнением на кафедре физики колебаний физического факультета МГУ научно - исследовательских работ по теме "Исследование быстропротеканщих процессов в приборах и материалах твердотельной электроники", а также ряда совместных с НИИ "Полюс" разработок.

Актуальность темы. Интерес к исследованию фазировки излучения ИЛ обусловлен возможностью использования их в качестве миниатюрных мощных источников когерентного излучения с высоким КПД, обеспечивающих прямую модуляцию излучения с частотой порядка нескольких гигагерц. Источники когерентного излучения с такими параметрами открывают широкие возможности для дальнейшего развития и совершенствования открытых оптических линий связи, устройств оптической обработки информации, ИК спектроскопии, систем лазерной дальнометрии и т.д. Помимо чисто прикладного значения, исследование режимов генерации многоэлементных ИЛ представляет несомненный научный интерес. Проблема фазировки полупроводниковых лазерных систем затрагивает широкий спектр принципиальных научных вопросов, начиная с теории выращивания гетероструктур с заданными параметрами и кончая синхронизацией нелинейных динамических систем, состоящих из нескольких квантовых генераторов.

Цель и задачи работы.

Экспериментальное исследование причин, вызывающих срыв од-номодового режима генерации ДГС многоэлементных фазированных ИЛ (МФИЛ), профиль усиления которых имеет максимум на оси резонатора (N№1171 с неоднородным Л-образным профилем усиления).

Теоретическое и экспериментальное исследование режимов генерации КР МФИЛ с дифракционной связью и неоднородным профилем усиления.

Совершенствование методики исследования зависимости показателя преломления активной области ИЛ от концентрации носителей заряда. Проведение сравнительного анализа этой зависимости для ИЛ с различной толщиной активного слоя.

Исследование влияния эффекта ослабления самофокусировки на режимы, генерации КР ИЛ с различной шириной однородной активной области.

Научная новизна.

Исследована динамика режимов генерации ДГС А1СаАа МФИЛ с неоднородным профилем усиления.

Предложен многоэлементный ИЛ с дифракционной связью и неоднородным профилем усиления. Создана его физическая модель. На ее основе решена задача определения оптимальных размеров лазерной структуры, обеспечивающих различные режимы фазировки.

Усовершенствована методика исследования зависимости показателя преломления активной области ИЛ от концентрации носителей заряда.

Исследована динамика многоканального режима генерации излучения в КР А1СаАз ИЛ с различной шириной однородной активной

области.

Практическая ценность работа заключается в том, что полученные результаты могут быть использованы при создании новых и совершенствовании существующих ИЛ с большим уровнем выходной оптической мощности и высокой пространственной когерентностью излучения.

На защиту выносятся следующие основные положения:

Причинами срыва одномодовой генерации многоэлементных ДГС AlGaAs ИЛ с неоднородным Л-образным профилем усиления, сформированным путем подбора ширины излучателей, являются изменение заданного профиля усиления и возбуждение неаксиальных типов колебаний в активных волноводах с поперечным сечением больше 5 мкм.

Изменение длины дифракционной области многоэлементного ИЯ с дифракционной связью и заданным профилем усиления позволяет эффективно контролировать амплитуду и фазу комплексного коэффициента связи и устанавливать различные режимы фазировки излучения. За счет подбора ширины двух крайних волноводов синфазная супермода имеет прямоугольную огибающую интенсивности излучения в ближнем поле.

Модифицированная установка для исследования зависимости показателя преломления активной области ИЛ от концентрации носителей заряда, обеспечивающая точность измерения смещения длины волны излучения ± 0,005 нм.

При одинаковом изменении концентрации носителей заряда абсолютное изменение показателя преломления активной области отечественного KP AlGaAs ИЛ практически в два раза меньше, чем для ДГС AlGaAs ИЛ с толщиной активной области 0,11 мкм.

Следствием ослабления самофокусировки является устойчивая

фазированная многоканальная генерация КР АЮаАэ ИЛ с широким контактом и однородной активной областью. Поперечный размер каналов генерации составляет 8..10 мкм, а расстояние между их центрами - 15 мкм.

Личный вклад автора заключен в теоретическом и экспериментальном исследовании различных конструкций ДГС и КР ИЛ с высоким уровнем мощности излучения и остронаправленной ДН.

Апробация работы. Результаты диссертации работы докладывались на научных семинарах кафедры физики колебаний физического факультета МГУ, МИРЭА, а также на:

- конференции "Физика полупроводниковых лазеров" (Вильнюс, 1989).

- Всесоюзном научном семинаре "Математическое моделирование и применение явлений дифракции" (Москва, 1990);

- XIV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ленинград, 1991);

- И-ой Всесоюзной конференции "Физические проблемы оптической связи и обработки информации" (Севастополь, 1991).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 8 печатных работах, список которых приводится в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложений, содержит 173 страницы, включающих 59 рисунков, I таблицу, 5 приложений и список литературы из 215 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность использования КР гетероструктур для создания на их основе мощных остронаправленных ИЛ, показана научная новизна и практическая ценность этих исследований. Сформулированы основные цели работы.

Первая глава содержит литературный обзор проблемы фазировки излучения ИЛ, изготовленных как на основе КР (рис. 1а), так и обычных двойных гетероструктур. Рассмотрены достоинства и недостатки наиболее перспективных конструкций МФИЛ. Представлен анализ различных типов внешних резонаторов, используемых для получения мощного одномодового излучения. Обсуждается влияние нелинейности активной среды на формирование фазированной структуры излучателей в однородной активной области КР ИЛ с широким контактом. Рассмотрено активно развивающееся направление исследований, посвященное фазировке излучения ИЛ с помощью когерентной оптической подсветки.

Во второй главе представлены результаты экспериментального исследования причин неустойчивости фазировки многоэлементных ДГС АХСаАа ИЛ, с неоднородным профилем усиления, а также описаны использованные в работе методы регистрации статических и динамических характеристик излучения ИЛ. Эти методы позволяют регистрировать: хронограммы излучения в ближней и дальней зонах, спек-трохронограмда, ватт - амперные характеристики в квазинепрерывном режиме накачки, изображения спектрально-разрешенного ближнего поля и диаграммы направленности излучения.

Временное разрешение использованной экспериментальной установки на основе электронно - оптического преобразователя ^«И-ЭЗШ

равно 'V Ю-11 с. Оно примерно на порядок превышает характерно время установления фазировки излучения ИЛ, поскольку синхрониза ция различных типов колебаний осуществляется в течение несколь ких пролетов фотонами длины резонатора, т.е. единиц пикосекунд При этом используемая методика позволяет детально исследоват изменения режимов генерации ИЛ, связанные с вариациями концент рации носителей в активной области, ее температуры и т.д.

Спектральные исследования проведены с использованием стиг матического линзового спектрографа с разрешением 0,013 нм. Сов местное использование спектрографа и электронно - опт ческог преобразователя позволяет регистрировать динамику спектра излу чения ИЛ.

В работе исследованы два типа МФИЛ с заданным Л-образны профилем „усиления, имеющим максимум на оси резонатора. В перво типе образцов коэффициент усиления варьировался за счет исполь зования активных волноводов различной ширины (рис. 2а), а в втором - за счет использования активных волноводов разной длин (рис. 26).

Связь между соседними излучателями, образующими МФИЛ с не однородным профилем усиления, осуществляется за счет перекрыти их световых полей. Механизм селекции синфазного режима генераци основан на том, что его коэффициент усиления имеет максимально значение, благодаря наиболее точному совпадению заданного профи ля усиления и огибающей интенсивности излучения синфазной мода.

Исследования семиэлементных ДГС АН1аАз ИЛ с неоднородны Л-образным профилем усиления, сформированным путем подбора шири ны активных волноводов показали, что при токе накачки от 1г х 1,2-1 они излучают однолепестковую диаграмму направленности

угловой расходимостью -» 2° (рис. 2в). Установлено, что срыв од-номодовой генерации происходит из-за искажения заданного профиля усиления и возбувдения неаксиальных типов колебаний в активных волноводах с поперечным сечением больше 5 мкм.

Исследования ДГС АЮаАз МФЮГ с Л-образным профилем усиления, сформированным за счет подбора длины пяти активных волноводов, показали, что эти структуры генерируют в многомодовом режиме (рис. 2г), что по-видимому, связано с появлением дифракционной связи между излучателями. При этом амплитуда и фаза дифракционных коэффициентов связи из-за особенностей конструкции МФИД изменяется от излучателя к излучателю. Более перспективными являются многоэлементные структуры с однородной активной областью и одинаковой величиной дифракционного коэффициента связи.

Третья глава посвящена детальному теоретическому и экспериментальному исследованию многоэлементной структуры с дифракционной связью и неоднородным профилем усиления (рис. 16). На основе теории связанных мод решена задача нахождения в явном виде супермод излучения ап (I), их пороговых коэффициентов усиления (2) и постоянных распространения Рт (3):

ап т = агрС-ИпМ )%/2Ш -созС (п-0,5) (т-1 )%/т;

п,т

(I)

+

(2)

2|К, | ■ з(п(Дер).соз{(т-1 )1С/М>

Рт = —-агсч

2Ь

(3)

. К0+?|К, | •соз(Дф) -соя{ (т-1 )1С/М> .

n = 1,2,3,...,N; m = 1,2,3,...,N,

где n - номер элемента решетки, ш - номер супермоды, N - число излучателей, KQ, Kt, ¿tp - амплитуды и фаза дифракционных коэффициентов связи, L - длина резонатора.

На основе предложенной физической модели сделан численный расчет оптимальных размеров МФИЛ с дифракционной связью и неоднородным профилем усиления. Получены:

- зависимость пространственного периода решетки излучателей от длины дифракционной области для различных режимов фазировки при выбранной ширине активных волноводов (рис. За);

- зависимости амплитуды дифракционных коэффициентов связи и пороговых коэффициентов усиления супермод от геометрических размеров МФИЛ (рис. 36);

- зависимости относительного изменения ширины крайних излучателей, обеспечивающего формирование прямоугольной огибающей синфазной супермоды, от параметров решетки излучателей;

- зависимости пороговых коэффициентов усиления супермод от геометрических размеров МФИЛ.

Экспериментальные исследования подтвердили расчетные зависимости. Восьмиэлементный КР AlGaAs МФИЛ с оптимальными геометрическими размерами генерировал в устойчивом одномодовом режиме вплоть до I = 3-Ij , при этом пиковая мощность излучения составила 100 мВт, а угловая расходимость диаграммы направленности равнялась дифракционному пределу 1,3° (рис. Зг).

Динамическая устойчивость полученного одномодового режимг генерации исследована методом наложения на импульс преднакачкк длительностью 200 не двух коротких импульсов тока с амплитудоР 0,5-1Пйр и длительностью 1 не. При преднакачке, равной 0.6'1пор>

каждый короткий импульс тока вызывал многомодовый световой отклик. При незначительном превышении порога (I = когда МФИЛ работал в одномодовом режиме, наложение коротких импульсов тока не вызывало многомодовой генерации.

Спектральный состав излучения МФИЛ, геометрические размеры которых не соответствовали оптимальным, как правило был многомо-довым. Результатом этого явилась большая, чем дифракционный предел, угловая расходимость ДН таких образцов.

В четвертой главе представлены экспериментальная установка и методика исследования зависимости показателя преломления активной области (па) ИЛ от концентрации носителей заряда (К), а также результаты исследований этой зависимости для ИЛ с различной толщиной активного слоя. Установлено, что для ДГС АЮаАз ИЛ с толщиной активной области 0,11 мкм

па(К> = п0 - М-(1,2 ± 0,3)-КГ20 см3, для КР АЮаАз ИЛ с толщиной активной области 0,018 мкм па(М) = п0 - М". (6,8 ± 1,5).10~г1 см3.

Исследованы пространственные и спектральные характеристики излучения отечественных КР АЮаАз ИЛ с различной шириной излучающей области. Зарегистрировано принципиальное отличие в распределении излучения в активной области КР ИЛ в сравнении с обычными ДГС ИЛ. Поперечный размер каналов генерации, индуцированных в КР активной области, составляет 8..10 мкм, а в ДГС - 3..5 мкм.

В ближнем поле КР АЮаАз ИЛ с широким контактом зарегистрировано формирование устойчивой фазированной многоканальной структуры (рис. 4в). Устойчивая фазировка излучения КР ИЛ с широким контактом сохранялся в диапазоне токов накачки от 1П до Т,8•1ПОр (рис. 46>. Угловая расходимость ДН равнялась дифракци-

онному пределу 0,5° (рис. 4а).

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Впервые исследована динамика излучения многоэлементных ДГС АХСаАз Ш с неоднородным Л-образным профилем усиления. Установлено, что МФИЯ, состоящие из семи активных волноводов различной ширины (3..6 мкм), генерируют в диапазоне токов накачки от *пор до 1,21*пор однолепестковую диаграмму направленности с угловой расходимостью -V 2°. Дальнейшее повышение тока накачки приводит к срыву фазировки излучения и возрастанию угловой расходимости излучения в несколько раз.

Причинами срыва фазировки излучения исследованных семиэле-ментных ДГС АЮаАа МФИЛ с Л-образным профилем усиления являются искажения заданного профиля усиления и возбуждение неаксиальных мод в активных волноводах с поперечным сечением больше 5 мкм.

2. Предложен многоэлементный ИЛ с дифракционной связью и неоднородным профилем усиления. На основе приближения теории связанных мод аналитически решена задача описания его режимов генерации, включая нахождение уравнений, описывающих распределение амплитуд излучения для различных режимов генерации МФИЛ, их пороговых коэффициентов усиления, необходимых для возбуждения этих режимов, и постоянных распространения. Создан численный алгоритм вычисления оптимальных размеров МФИЛ с дифракционной связью и неоднородным профилем усиления.

3. Экспериментально подтверждены теоретические расчеты режимов генерации КР АЮаАз МФИЛ с дифракционной связью и неоднородным профилем усиления. Восьмиэлементный МФИЛ с оптимальными геометрическими размерами генерировал в устойчивом одномодовом

жиме вплоть до I = 3>1П , при этом пиковая мощность излучения ставила 100 мВт, а угловая расходимость диаграммы направленно-и равнялась дифракционному пределу 1,3°.

4. Экспериментально получены зависимости показателя прелом-ния активной области от концентрации носителей заряда для оте-ственных KP и обычных ДГС AlGaAa ИЛ. Подтверждены предположе-я об ослаблении самофокусировки в исследованных отечественных AlGaAa ИЛ.

5. Впервые исследованы динамика спектра и пространственных рактеристик излучения полосковых KP AlGaAs ИЛ. Установлено, э эффект ослабления самофокусировки приводит к формированию в дородной KP активной области индуцированных каналов генерации риной 8..10 мкм, расстояние между центрами которых составляет личину порядка 15 мкм. При этом в дальнем поле формируется £ракционно ограниченная однолепестковая диаграмма направлении с угловой расходимостью 0,5° при I = 1»8'1пор-

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Виноградов И.И., Косых А.Е., Логгинов A.C. Анализ решет-дифракционно связанных инжекционных лазеров // Квантовая

гктроника. - 1990. - Т. 17. - № 5. - С. 584-586.

2. Виноградов И.И., Данилина О.В., Косых А.Е., Логгинов 2. Измерение зависимости показателя преломления активной об-:ти инжекционного лазера от концентрации носителей заряда // энтовая электроника. - 1991. - Т. 18. - С. I3II-I3I2.

3. Косых А.Е., Логгинов A.C., Пашко С.А. Экспериментальное следование пространственных и спектральных характеристик иг-лу

чения дифракционно связанных многоэлементных инжекционных лазе ров // Квантовая электроника. - 1991. - Т. 18. - С. I3I4-I3I6.

4. Данилина О.В., Косых А.Е., Логгинов A.C., Пашко С.А Мощный квантово - размерный AlGaAs/GaAs инжекционный лазер широким контактом и остронаправленной диаграммой направленност // Квантовая электроника.- 1931. - Т. 18. - С. I3I3-I3I4.

5. Виноградов И.И., Косых А.Е., Логгинов A.C. Анализ решет ки дифракционно связанных полупроводниковых лазеров // Тезис докладов конференции "Физика полупроводниковых лазеров". - Виль нюс, 1Э8Э. - С. 60-6Т.

6. Коняев В.П., Косых А.Е., Логгинов A.C., Пашко С.А., Ти тов А.Ю. Теоретическое и экспериментальное исследование дифрак ционно связанных многоэлементных инжекционных лазеров. // Тезис докладов Всесоюзного научного семинара "Математическое моделиро вание и применение явлений дифракции". - Москва, 1990. - С 39-40.

7. Данилина О.В., Косых А.Е., Логгинов A.C., Пашко С.А Мощные остронаправленные излучатели на основе квантово - размер ных AlGaAs/GaAs инжекционных лазеров // Тезисы докладов 2-о Всесоюзной конференции "Физические проблемы оптической связи обработки информации". - Севастополь, 1991. - С. 51-52.

8. Данилина О.В., Косых А.Е., Логгинов A.C., Пашко С.А Мощный квантово - размерный AlGaAs/GaAs инжекционный лазер широким контактом и остронаправленной диаграммой направленност // Тезисы докладов XIV Международной конференции по когерентно и нелинейной оптике. - Ленинград, 1991. - Т. PThB5. - С. 48-49.

1

1. а) схематическое изображение кбантобо-размерной зроструктуры с раздельным ограничением: 1 - активная 1сшь,- 2. 3. и, - обклаЗочные и змиттерные слои,- 5 - ме-лические контакты, б) МФИ/1 с дифракционной сВязьо и Ыоробным профилем усиления.

излучатели

Щ0*

излучатели

2

3Л /Л

--х5.6

| и \

3 - I 2р> \ 4-х4.2

/ МД А -4—х1.0

-Г -35' 0' 3.5 7

-7-3.5

. 2. Схематические изображения исследо&анных МФИ/1 с образным профилем усиления, сформированным зо счет енения ширины (а) и блины (б) активных ВолноВаЗаб, а еже характерные Зля этих образцов профили диаграммы ¡раВленности излучения (б.г).

а.

51 8 Г хз

5.

соа= 3 мкм

Д*-гг5/2 ол

—

* 0.01

____1/2 о

0.001

-------1-----г----г - ™ 0.0001-

й>0= 3 МК1-

К^Др-Щ/Л К^Др»*) К1 (Д^>=тг 3/2)

к^д^яг)

40

80

120

6.-

40 ВО

Ц , мкм

г.

А ^х 15,0

и Ц 9.0

та* 1,0

-6° -3° 0°

-6° -з- 0°

Рис. 3. Зависимости периода решетки излучателей (а) и амплитуды коэффициенте^ ебязи (б) от блины дифракционной облает) для различных режимоБ фазиробки МФИ/1, а также экспериментально полученные профили ДН МФИЛ с длиной дифракционной области 30 мкм (Ь) и 60 мкм (г).

а.

чэ <и

х

е

о -а Е и о

X <о

и X ш Е X 3

к \

\

У

-2,5°-1,25°

б.

г.

X

х

0° 1.25й 2.5й ©„

Рис. и. Характеристики излучения КР А1баА5 И/1 с широким контактом: профиль ЯН 1 = 1.6-ЦДа): спектрально-раэрешенное бли нее поле I = 1.8-1пор(5) и I = 3,0-1пор(г); динамика распределения из лучения В активной области I = 2,0-!пор(б) и I = 2.2-1пор(д).