Исследование эффектов пространственной неоднородности накачки и оптического поля в полосковых инжекционных лазерах и полупроводниковых оптических усилителях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Оглавление.

Введение.

Глава 1. Влияние процессов бокового дрейфа и диффузии носителей и растекания тока накачки на статические и динамические характеристики полосковых лазеров.

Введение.

§1.1. Общий подход к анализу характеристик полупроводниковых лазеров.

§ 1.2. Количественная динамическая модель полоскового лазера.

§ 1.3. Дрейф и диффузия носителей в активной области.

§ 1.4. Электронная и дырочная компоненты тока в распределенной лазерной структуре.

§ 1.5. Динамическое влияние профиля распределения концентрации носителей на форму поперечной моды в гребневом волноводе.

§ 1.6. Сравнение экспериментальных данных и результатов расчета.

§ 1.7. Влияние процессов дрейфа и диффузии носителей на характеристики лазеров гребневого типа.

Глава 2. Высокочастотная модуляция излучения полупроводниковых полосковых лазеров посредством изменения фактора оптического ограничения.

Введение.

§ 2.1. Лазерная структура.

§ 2.2. Статические и динамические характеристики.

§ 2.3. Анализ работы 4-х контактного лазера в динамическом режиме.

§ 2.4. Модуляция фактора оптического ограничения.

§ 2.5. Двойная модуляция тока накачки и фактора оптического ограничения.

§ 2.6. Детальный анализ работы 4-х контактного лазера в режимах прямой и боковой модуляции.

§ 2.7. Двойная модуляция 4-х контактного лазера.

Глава 3. Влияние перекрытия профиля распределения носителей и основной поперечной моды на статические и динамические характеристики полупроводниковых оптических усилителей.

Введение.

§ 3.1. Количественная двумерная модель полупроводникового оптического усилителя. Основные уравнения.

§ 3.2. Продольные и поперечные изменения концентрации носителей и плотности фотонов.

§ 3.3. Граничные условия.

§ 3.4. Сдвиг фазы входного сигнала в оптическом усилителе.

§ 3.5. Статические и динамические характеристики оптического усилителя с гребневым волноводом.

§ 3.6. Анализ характеристик оптических усилителей различных конструкций.

Полупроводниковые инжекционные лазеры и оптические усилители, как известно, являются ключевыми элементами волоконно-оптических линий связи. Развитие систем связи, цифрового телевидения, компьютерных сетей приводит к постоянному увеличению объема передачи данных. Активные элементы подобных систем, такие как полупроводниковые лазеры и усилители, должны иметь полосу модуляции несколько десятков ГГц для передачи данных на скоростях порядка 10 Гбит/с и более. В связи с этим, при разработке приборов особое внимание уделяется оптимизации их конструкции для работы на сверхвысоких частотах. В настоящее время в большинстве подобных систем используется одномодовое оптическое волокно, поэтому для эффективной стыковки активных элементов с волокном применяются полупроводниковые приборы с узким волноводом. Пространственное перекрытие неоднородного распределения концентрации инжектированных носителей в активной области прибора, возникающее при ширине полоскового контакта порядка диффузионной длины, с профилем основной поперечной моды, ограниченной в узком волноводе, оказывает сильное влияние как на статические так и на динамические характеристики приборов.

Несмотря на большое количество экспериментальных и теоретических исследований лазеров с узким волноводом детальное рассмотрение самосогласованной динамической задачи о дрейфе/диффузии носителей и растекании тока с учетом реальных параметров цепи питания ранее не проводилось. Вышесказанное, в особенности, относится к оптическим усилителям, в которых данные эффекты также играют важную роль. Поэтому, разработка детальной модели лазеров и усилителей является важной задачей, решение которой позволяет повысить быстродействие таких приборов путем оптимизации их конструкции. Также представляет большой интерес и изучение новых методов высокочастотной модуляции излучения полупроводниковых лазеров, что может привести к значительному повышению скорости передачи данных в оптических линиях связи.

С научной точки зрения важно, что в работе проведено детальное экспериментальное исследование характеристик приборов, а также построены аналитические и количественные модели их работы. Результаты данного исследования могут применяться при дальнейшей разработке конструкций полупроводниковых лазеров и усилителей с улучшенными статическими и динамическими характеристиками.

Целью работы являлось:

- разработка количественных динамических моделей работы полупроводниковых лазеров и оптических усилителей с узким волноводом, в которых учитываются эффекты бокового растекания тока и дрейфа/диффузии носителей в волноводном и активном слоях;

- сравнение данных расчета с результатами эксперимента с целью выяснения влияния вышеупомянутых эффектов на статические и динамические характеристики приборов;

- экспериментальное исследование и расчет характеристик полосковых лазеров новой конструкции, разработанных для модуляции фактора оптического ограничения, анализ эффективности и различных режимов модуляции излучения.

Научная новизна работы:

- впервые разработана количественная динамическая модель полоскового лазера, описывающая эффекты растекания тока и бокового дрейфа/диффузии носителей, захвата/выброса носителей в квантовые ямы (КЯ), выжигание пространственных провалов в профиле усиления, а также влияние паразитных элементов прибора и цепи питания на динамические характеристики прибора;

- показано, что в полупроводниковых лазерах с гребневым волноводом эффекты растекания тока и бокового дрейфа/диффузии носителей определяют величину порогового тока, приводят к уменьшению величины квантовой эффективности на ~ 10%, но не ограничивают ширину полосы модуляции.

- предложен новый способ модуляции излучения полупроводниковых лазеров за счет изменения боковой составляющей фактора оптического ограничения;

- разработана конструкция лазера с двумя дополнительными боковыми контактами для подачи управляющих сигналов напряжения, в которой экспериментально показана возможность модуляции фактора оптического ограничения;

- разработана модель полоскового оптического усилителя, описывающая как продольные так и поперечные изменения концентрации инжектированных носителей и плотности фотонов в активной области, на основе которой показано, что коэффициент усиления и быстродействие увеличиваются при увеличении фактора перекрытия поля моды с областью усиления;

Практическая ценность полученных в диссертации результатов определяется следующим:

- разработанные количественные динамические модели полоскового лазера и оптического усилителя могут использоваться для оптимизации их характеристик, а также для проектирования новых структур лазеров и усилителей с полосой модуляции свыше 20 ГГц;

- исследования по модуляции фактора оптического ограничения стимулировали создание нового класса сверхбыстродействующих инжекционных лазеров, работающих на основе параметрической модуляции излучения.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. В полупроводниковых лазерах с гребневым волноводом эффекты бокового дрейфа и диффузии носителей в активной области определяют величину порогового тока, но не ограничивают ширину полосы модуляции этих приборов.

2. В гребневых лазерах растекание тока в верхних слоях структуры приводит к уменьшению величины внутренней дифференциальной квантовой эффективности на ~ 10% , не являясь при этом доминирующим механизмом утечек.

3. В полупроводниковых лазерах высокочастотная модуляция излучения достигается за счет изменения фактора оптического ограничения.

4. В лазерах с дополнительными боковыми контактами для приложения сигналов управляющего напряжения реализуется режим двойной модуляции тока и напряжения, при котором осуществляется эффективная коррекция формы выходного оптического импульса.

5. В полупроводниковых оптических усилителях увеличение пространственного перекрытия поля оптической моды с областью локализации носителей, связанное с уменьшением ширины волновода, приводит к заметному увеличению статического коэффициента усиления и к расширению полосы модуляции прибора.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на 5-ти международных конференциях:

1. 14th IEEE International Semiconductor Laser Conference, Hawaii, USA, 1994;

2. Physique en Herbe, PeH-96, Bordeaux, France, July 1-5, 1996;

3. 23rd International Symposium on Compound Semiconductors, ISCS-23, St. Petersburg, Russia, September 23-27, 1996;

4. International Meeting on Mi его wave Photonics, MWP'96, Kyoto, Japan, December 3-5, 1996;

5. 2-м Белорусско-Российском семинаре "Полупроводниковый лазеры и системы на их основе", Минск, 22-24 мая, 1997; а также на научных семинарах лаборатории полупроводниковой квантовой электроники ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН. По результатам исследований опубликовано 11 печатных работ, список которых приведен в заключении.

Структура диссертации.

Данная диссертационная работа объединяет исследования, выполненные в период 1994-1999 гг. в лаборатории полупроводниковой квантовой электроники ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН посвященные экспериментальному, теоретическому и численному анализу статических и динамических свойств полупроводниковых инжекционных лазеров и оптических усилителей.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, приложения и списка цитируемой литературы. Материал изложен на 154 страницах, включая 88 страниц текста, 51 рисунок и 3 таблицы. Список цитируемой литературы содержит 64 наименования.

Основные результаты исследований опубликованы в следующих работах:

1. V.B. Gorfinkel, S.A. Gurevich, I.E. Chebunina, M.S. Shatalov, and G.E. Shtengel, "High frequency operation of SQW diode laser modulated by dual optical confinement factor pumping current density control", Proc. 14th IEEE International Semiconductor Laser Conference, Hawaii, USA, 1994, pp. 111-112.

2. M.S. Shatalov, "Effect of ridge width on dynamic characteristics of stripe geometry diode lasers", Proc. Physique en Herbe, PeH-96, Bordeaux, France, July 1-5, 1996, pp. G12.

3. M.S. Shatalov, S.A. Gurevich, and G.S. Simin, "Improvement of output pulse waveform by dual modulation of three-terminal Fabry-Perot diode laser", Proc. 23rd International Symposium on Compound Semiconductors, ISCS-23, St. Petersburg, Russia, September 23-27, 1996, Institute of Physics Series № 155: Chapter 9, pp. 565-568.

4. S.A. Gurevich, G.S. Simin, and M.S. Shatalov, "New dynamic model for laterally nonuniform MQW FP ridge laser including parasitics", ibid., pp. 647-650.

5. M.S. Shatalov, S.A. Gurevich, and G.S. Simin, "Output pulse waveform correction by dual modulation of three-terminal Fabry-Perot diode laser", Proc. International Meeting on Microwave Photonics, MWP'96, Kyoto, Japan, December 3-5, 1996, pp 129-132.

6. C.A. Гуревич, Г.С. Симин и M.C. Шаталов, "Влияние поперечной неоднородности тока накачки и распределения поля на динамические характеристики полосковых инжекционных лазеров", ФТП, т. 31, №5, 1997, стр. 611-615.

7. S.A. Gurevich, M.S. Shatalov, and G.S. Simin, "High frequency confinement factor modulation of diode lasers", International Journal of High Speed Electronics and Systems, vol. 8, n. 3, 1997, pp. 547-574.

8. S.A. Gurevich, M.S. Shatalov, and G.S. Simin, "High frequency confinement factor modulation of diode lasers", Selected Topics in Electronics and Systems, vol.11 "High-Speed Diode Lasers", ed. S.A. Gurevich, World Scientific, 1997, pp. 171-198.

9. C.A. Гуревич, Г.С. Симин и M.C. Шаталов, "Новая динамическая модель полоскового инжекционного лазера", Тезисы 2-го Белорусско-Российского семинара "Полупроводниковый лазеры и системы на их основе", Минск, 22-24 мая, 1997, с. 41.

10. М.С. Шаталов, Г.С. Симин, С.А. Гуревич, "Влияние эффекта бокового растекания тока накачки на внутреннюю квантовую эффективность полупроводниковых полосковых лазеров", Тезисы Международного семинара по оптоэлектронике, С.-Петербург, 5-6 ноября, 1998, стр. 32.

11. Ju.V. Alekseeva, M.S. Shatalov, and S.A. Gurevich, "QW diode laser modulation by lateral gain tailoring", accepted to 7th International Symposium Nanostructures: Physics and Technology, St. Petersburg, Russia, June 14-18, 1999.

В заключение автор хотел бы выразить глубокую благодарность С.А. Гуревичу за руководство, внимание и обсуждение результатов работы, Ю.В. Алексеевой и Б.Е. Голубеву, при непосредственном участии которых была выполнена данная работа, а также М.Е. Левинштейну за полезные дискуссии. Автор также хотел бы особо поблагодарить Г.С. Симина за поддержку и помощь при проведении исследований и многочисленные обсуждения, а также В.А. Шаталову и A.M. Шаталова за проявленное терпение.

Заключение.

В ходе выполнения работы были получены следующие основные результаты:

- В рассмотренных нами гребневых лазерах с узким волноводом боковой дрейф и диффузия носителей в плоскости р-п перехода практически не влияют на внутреннюю дифференциальную эффективность прибора. Основной вклад эти эффекты дают в величину порогового тока. На динамические характеристики лазеров эффекты дрейфа и диффузии носителей влияют в области низких (< 1 ГГц) частот.

- В стандартных лазерных структурах ЫваАзРЯпР с узким волноводом гребневого типа наблюдаемые низкие значения (< 0,7) внутренней квантовой эффективности не связаны с боковым растеканием тока в области гребня. Основной вклад в снижение эффективности дают другие каналы утечек, например, такие как утечки тока через гетеробарьеры. В гребневых лазерах с оптимизированной структурой может быть достигнута внутренняя дифференциальная квантовая эффективность порядка 0,9.

- В полупроводниковых лазерах высокочастотная модуляция излучения достигается за счет изменения фактора оптического ограничения.

- Двойная модуляция излучения током накачки и изменением фактора оптического ограничения реализуется в лазерах с дополнительными боковыми контактами для приложения сигналов управляющего напряжения. При определенном выборе сигналов тока и напряжения реализуется режим коррекции формы выходного оптического импульса, использование которого приводит к заметному уменьшению ошибок при передаче оптических сигналов со скоростью до 20 Гбит/с.

- Характеристики полупроводниковых оптических усилителей, работающих в режиме преобразования длины волны на скоростях до ЮГбит/с, заметно улучшаются при уменьшении ширины волновода, т.к. при этом увеличивается пространственное перекрытие поля поперечной оптической моды и профиля распределения концентрации носителей в активной области.

1.. R. Nagarajan, M. 1.hikawa, Т. Fukushima, R.S. Geels, and J.E. Bowers, "Highspeed quantum-well lasers and carrier transport effects", IEEE Journal of Quantum Electronics, v. 28, 1992, pp. 1990-2008.

2. R. Nagarajan, M. Ishikawa, and J.E. Bowers, "Effect of carrier transport on relative intensity noise and critique of K-factor predictions of modulation response", Electronics Letters, v. 28, 1992, pp. 846-847.

3. J.E. Bowers, "High speed semiconductor laser design and performance", Solid State Electronics, vol. 30, 1987, pp. 1-11.

4. R. Nagarajan, T. Fukushima, S.W. Corzine and J.E. Bowers, "Effects of carrier transport on high speed quantum well lasers", Applied Physics Letters, vol. 59, 1991, pp. 1835-1837.

5. M.S. Wartak, T. Makino and Y. Chen, "Effect of quantum carrier and escape time on frequency chirp in multiple-quantum-well lasers", Journal of Applied Physics, vol. 33, 1995, pp. 1149-1153.

6. C.B. Козырев, А.Я. Шик, "Захват носителей квантовыми ямами в гетероструктурах", ФТП, т. 19, №9, 1985, стр. 1667-1670.

7. R.F. Kazarinov and M.R. Pinto, "Carrier transport in laser heterostructures", IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 30, 1994, pp. 49-53.

8. M. Grupen and K. Hess, "Self-consistent calculation of the modulation response for quantum well laser diodes", Applied Physics Letters, vol. 65, 1994, pp. 24542456.

9. G.A. Kozinovsky, M. Grupen, and K. Hess, "Effect of carrier charge imbalance on the threshold current in diode-lasers with thin intrinsic quantum-wells", Applied Physics Letters, v. 65, 1994, pp. 3218-3220.

10. R. Bonello, and I. Montrosset, "Analysis of multisection and multielectrode semiconductor lasers", IEEE Journal of Lightwave Technology, vol 10, 1992, pp. 1890-1900.

11. R. Schatz, "Dynamics of spatial hole-burning effects in DFB lasers", IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 31, 1993, pp. 1981-1993.

12. A.J. Lowery, "Dynamics of SHB-induced mode instabilities in uniform DFB lasers", Electronics Letters, vol. 29, 1993, pp. 1852-1854.

13. J.E.A. Whiteaway, "Theoretical analysis of current spreading in stripe-geometry injection lasers", IEE Proceedings I, vol. 129, 1982, pp. 89-95.

14. N. Chinone, "Nonlinearity in power-output-current characteristics of stripe-geometry injection lasers", Journal of Applied Physics, vol. 48, 1977, pp. 3237-3243.

15. B.W. Hakki, "GaAs double heterostructure lasing behavior along the junction plane", Journal of Applied Physics, vol. 46, 1975, pp. 292-302.

16. W.W. Ng, and E.A. Sovero, "An analytic model for the modulation response of buried heterostructure lasers", IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 20, 1984, pp. 1008-1015.

17. N. Chinone, K. Aiki, M. Nakamura, and R. Ito, "Effects of lateral mode and carrier density profile on dynamic behaviors of semiconductor lasers", IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 14, 1978, pp. 625-631.

18. К. Лау, А. Ярив, "Высокочастотная токовая модуляция полупроводниковых инжекционных лазеров" в кн. "Полупроводниковые инжекционные лазеры: динамика, модуляция, спектры", ред. У. Тсанг, М., Радио и связь, 1990, 320 е., с.73-138.

19. A.M. Sarangan, W.-P. Huang, G.P. Li, and T. Makino, "A ridge waveguide DFB laser model including transverse carrier and optical effects", ШЕЕ Journal of Quantum Electronics, vol. 32, 1996, pp. 408-416

20. C.A. Гуревич, Г.С. Симин и M.C. Шаталов, "Влияние поперечной неоднородности тока накачки и распределения поля на динамические характеристики полосковых инжекционных лазеров", ФТП, т. 31, № 5, 1997, стр. 611-615.

21. M.S. Shatalov, "Effect of ridge width on dynamic characteristics of stripe geometry diode lasers", Proc. Physique en Herbe, PeH-96, Bordeaux, France, July 1-5, 1996, p. G12.

22. G.E. Shtengel, D.A. Ackerman, P.A. Morton, E.J. Flynn and M.S. Hybertsen, Proceedings of IEEE Lasers and Electro-Optic Society 1995 Annual Meeting, LEOS'95, San-Francisco, CA, USA, Oct. 30 Nov. 2, 1995, vol. 1, pp. 282-283.

23. T. Makino, "Analytical formulas for the optical gain of quantum wells", IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 32, 1996, pp. 493-501.

24. JI.A. Бессонов, "Теоретические основы электротехники", М., Высшая школа, 1978.

25. G.P. Agrawal and N.K. Dutta, "Semiconductor lasers", New York, Van Nostrand Reinhold, 1993.

26. P.M. Smowton and P. Blood, "The differential efficiency of quantum-well lasers", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 3, 1997, pp. 491-498.

27. F. Girardin and G.-H. Duan, "Characterisation of semiconductor lasers by spontaneous emission measurements", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 3, 1997, pp. 461-470.

28. G.J. Letal, J.G. Simmons, J.D Evans and G.P. Li, "Determination of active-region leakage currents in ridge-waveguide strained-layer quantum-well lasers by varying the ridge width", IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.34, 1998, pp. 512-518.

29. I. Suemune, L.A. Coldren, M. Yamanishi and Y. Kan. "Extremely wide modulation bandwidth in a low threshold current strained quantum well lasers", Applied Physics Letters, vol. 53, 1988, pp. 1378-1380.

30. L.F. Lester, S.S. O'Keefe, W.J. Schaff and L.F. Eastman, "Multiquantum well strained-layer lasers with improved low frequency response and very low damping", Electronics Letters, vol. 28, 1992, pp. 383-385.

31. P A. Morton, T. Tanbun-Ek, R.A Logan, N. Chand, K.W. Wecht, A.M. Sergent, P.F. Sciortino, "Packaged 1.55 цш DFB laser with 25 GHz modulation bandwidth", Electronics Letters, vol. 30, 1994, pp. 2044-2046.

32. X. Zhang, Y. Yuan, A. Gutierrez-Aitken and P. Bhattacharya, "0.98 mm multiple quantum well tunneling injection lasers extrapolated", Conference Digest of 15th International Semiconductor Laser Conference, ISLS-96, Haifa, Israel, Oct. 1996, pp. 37-38.

33. В.Б. Горфинкель, И.И. Филатов, "Разогрев электронного газа электрическим полем в активной области полупроводникового лазера", ФТП, т. 24, 1990, стр. 742-746.

34. V.B. Gorfmkel, В.М. Gorbovitsky and I.I. Filatov, "High frequency modulation of light output power in double-heterojunction laser", International Journal of Infrared & Millimeter Waves, vol. 12, 1991, pp. 649-658.

35. E.A. Avrutin, V.B. Gorfinkel, S. Luryi, and K.A. Shore, "Control of surface-emitting laser diodes by modulating the distributed Bragg mirror reflectivity: small-signal analysis", Applied Physics Letters, vol. 63, 1993, pp. 2460-2462.

36. V.B. Gorfinkel and S. Luryi, "High-frequency modulation and suppression of chirp in semiconductor lasers", Applied Physics Letters, vol. 62, 1993, pp. 29232925.

37. V.B. Gorfinkel and S. Luryi, "Dual modulation of semiconductor lasers", in Physics and Simulation of Optoelectronic Devices II, ed. by M. Osinski, Proc. of SPIE 2146, 1994, pp. 204-209.

38. S.A. Gurevich, M.S. Shatalov, and G.S. Simin, "High frequency confinement factor modulation of diode lasers", International Journal of High Speed Electronics and Systems, vol. 8, n. 3, 1997, pp. 547-574.

39. S.A. Gurevich, G.S. Simin and M.S. Shatalov, "Output pulse waveform correction by dual modulation of three-terminal Fabry-Perot diode laser", Proceedings of International Meeting on Microwave Photonics, MWP-96, Kyoto, Japan, Dec. 1996, pp. 129-132.

40. A. Frommer, S. Luryi, D.T. Nichols, J. Lopata, and W.S. Hobson, "Direct modulation and optical confinement factor modulation of semiconductor lasers", Applied Physics Letters, vol. 67, 1995, pp. 1645-1647.

41. J. Sun, G. Morthier, and R. Baets, "Numerical and theoretical study of the crosstalk in gain clamped semiconductor optical amplifiers", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 3, 1997, pp. 1162-1167.

42. T. Gyselings, G. Morthier, and R. Baets, "Strong improvement in optical signal regeneration and noise reduction through asymmetric biasing of Mach-Zender interferometric all optical wavelength conversion", ibid., pp. 188-191.

43. D.F. Gerahty, R.B. Lee, M. Verdiell, M. Ziari, A. Mathur, K.J. Vahala, "Wavelength conversion for WDM communication systems using four-wave mixing in semiconductor optical amplifiers", ibid., pp.1146-1155.

44. S. Scotti, L. Graziani, A. D'Ottavi, F. Martelli, A. Mecozzi, P. Spano, R. Dall'Ara, R. Girardin, G. Guekos, "Effects of ultrafast processes on frequency converters based on four-wave mixing in semiconductor optical amplifiers", ibid., pp. 1156-1162.

45. H.Kogelnik and C.V.Shank, "Coupled-wave theory of distributed feedback lasers", Journal of Applied Physics, v.43,1972, pp.2327-2335.

46. L.M. Zhang and J.E.Carroll, "Large signal model for DFB laser", IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 28, 1992, pp. 604-611.

47. X. Кейси, M. Паниш, "Лазеры на гетероструктурах", М., Мир, 1981.

48. Е. Goutain, J.С. Renaud, М. Krakowski, D. Rondi, R. Blondeau, D. Decoster, "30 GHz bandwidth, 1.55 ¡am MQW-DFB laser diode based on a new modulation scheme", Electronics Letters, vol. 32, 1996, pp. 896-897.