Мощные одномодовые InGaAsP раздельные ограничения. Разработка и исследование излучательных характеристик тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОРДЕНА ЛЕНИНА ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им.А.Ф.ИОФФЕ

На правах, рукописи

ГОРБАЧЕВ Андрей Юрьевич

УДК 621.315.592

МОЩНЫЕ ОДНОМОДОВЫЕ 1пСаАзР ЛАЗЕРЫ РАЗДЕЛЬНОГО ОГРАНИЧЕНИЯ. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗЛУЧАТЕДЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

специальность: 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1Э94

Работа выполнена в Ордена Ленина физико-техническом институте им.А.Ф.Иоффе РАН.

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук,

старший научный сотрудник И.С.Тарасов.

Официальные оппоненты:

доктор фиоико-математических наук Р.П.Сейсян,

кандидат физико-математических наук А.С.Щербаков.

Ведущая организация:

Государственный оптический институт им.О.И.Вавилова.

Защита состоится " 1994 г_ в часов на

заседании специализированного совета N0. К. 003.23.01 при Ордена Ленина физико-техническом институте им.А.Ф.Иоффе РАН по адресу 194021, Санкт-Петербург, Политехническая ул., д.26.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба высылать по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря специализированного совета.

Автореферат разослан "

Ученый секретарь специализированного соЕвта

кандидат физико-математических наук (Г.С.Куликов)

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Начало полупроводниковой опто-электронике было положено в 60-х годах, когда на основе р-п-переходов в арсениде галлия были созданы когерентные и спонтанные излучатели. За последние 10-15 лет оптсэлектроника получила наибольшее развитие в области гетеролазеров, обеспечивающих непрерывную работу оптических приборов при комнатной температуре. Полупроводниковые гетеролазеры обладают малыш размерами, малой энергоЗмкостьм и малсй инерционностью. Кроме того, с параллельным развитием технологии оптических волокон и элементной базы для ВОЛО достигнута их спектральная согласованность. Вей это стимулирует непрерывный рост выпуска различных устройств и приборов олтоэлектроники на основа полупроводниковых гетеролазеров, основное назначение которых состоит в использовании в системах считывания, обработки и передачи информации. Наиболее эффективными эти системы становятся при применении быстродействующих, мощных лазеров со стабильной работой в режиме генерации нулевой поперечной моды.

В области длин волн излучения ~0.8цт б настоящее время существуют одномодовые лазерные излучатели, изготовленные но основе АЮаАя/СаАе, у которых мощность излучения составляет ~200п№. Но лазеры, изготовленные на . основе А1-содержащих структурах, химически активны с окружающей средой. АльтернатиЕой для структур вышеназванной системы твердых растворов являются структуры на основе четверных твердых растворов 1пСаАзР/СаАз.

К началу выполнения настоящей диссертационной работы (1990 год) была разработана технология изготовления 1пСаАзР/СьАв лазерных гетероструктур раздельного ограничения со сверхтонкими активными областями (йа~100 А). Использование таких 1пС.аАзр/СаАз РО ДГС для создания оксидно-полосковых и. мезаполоскових зарощенных гетеролазероо позволило получить многомодовке лазерные диоды, обладающие рекордными мощностями оптического излучения. Однако, первые эксперименты по созданию одношцсбых гетэролазнрер на основе ТпСаАБР/ОаАз РО ЛГС с супертонкими актйЕннки обла^гя.м:' не позволил? реализовать прэим/щгзтва по упг-личетак: >л:л,щосги

одномодового излучения но сравнению о лазерами, изготовленными на основе А1-содержащих гетероструктур.

Актуальность работы заключается в создании и исследовании мощных одномодовых мезаполосковых зарощенных лазеров на основе 1пСаАзР/СаАа (\=0.8|ж) гетероструктур раздельного ограничения с супергонкими активными областями, а также в разработке и исследовании параметров РО ДГС быстродействующих лазерных диодов (^=0.8^, 1.3|.Ш1, 1.55цт) повышенной мощности на основе 1п(!аАзР/Тп? и ТпСаАзР/ОаАз.

Основная цель данной диссертационной работы сформулирована следующим образом: разработка и исследование' излучательных характеристик мощных одномодовых зарощенных 1пСаАэР/СаАз гетеролазеров раздельного ограничения и создание на основе МаДвР/СаАз и 1пСаАаР/1пР РО ДГС • быстродействующих лазерных диодов повышенной мощности.

Достижение поставленной цели включало следующие основные

этапы.

■ 1. Исследование влияния основных технологических факторов выращиваемых гетероструктур и основных конструктивных параметров изготавливаемых лазерных диодов на характеристики одномодовых зарощенных 1п0аАзР/СаАз РО ДГС лазеров.

2. Изучение условий возникновения и сохранения при работе лазерных диодов генерации нулевой поперечной моды -и разработка мощных одномодовых РО ДГС МаАзР/СаАз (Л.=0.8цш1) лазеров.

3. Исследование излучательных характеристик мощных одномодовых мезаполосковых зарощешшх лазеров на основе кьантоворазмерных ХпСаАБР/СаАд РО ДГС, излучающих в диапазоне длин волн Х.=0.8(ХГП.

4. Исследование модуляционных характеристик зарощенных меззпслосковыу. лазеров на основе 1пСаАзР/СаАз и 1пСаАзР/1пР РО ДГС. Создание на основе 1пСаАзР мощных лазеров с повышенным частотным диапазоном прямой амплитудной модуляции.

Научная новизна и практическая ценность работы заключаются в том, что в ходе е5 выполнения разработаны методики контроля надежности технологии заратявания мезэполссковых лазерных 1пСаАзР/СаАз гетероструктур раздельного оптического и электронного ограничения и исследовано влияние ей конструктивных параметров на устойчивую работу в одномодовом режиме генерации мощных мезаполосковых зароненных МаАзР/ОаАз К) ДГС лазеров. Показано, что достичь рекордных на сегодняшний день мощностей одномодового излучения на длине волны А.--0.8цт на основе 1гЮаАзР/0аАз РО ДГС лазеров можно, используя две конструкции. Первая конструкция представляет собой мезапэлосковый зарсщенный лазерный диод с уменьшенной толщиной расширенного волновода в исходной РС ДГС, вторая- лазерный диод с узким контактом над мезой в слое 3102 зарощвнной РО ДГС. Установлено, что прогнозируемый срок службы при повышенных мощностях в таких лазерных диодах может достигать 45000 часов при комнатной температуре.

Были исследованы модуляционные характеристики мощных зарощешшх мезаполосковых 1п0аАзР. РО ДГС лазеров с длинами волн излучения А.=0.8,1.3,1.55рл. Предложены конструкции полупроводниковых лазерных диодов с уменьшенной паразитной ёмкостью. Изготовлены быстродействующие 1пСаАаР лазеры с повышенной мощностью а исследованы их характеристики.

Основные положения и результаты, выносимые_на__защиту,

сводятся к следующему:

1. Для достижения одномодового реззола генерации в згрощзшшх 1пСаАБР/СаАз (¡ио.врт) РО ДГС лазерах на основе оптимальной низкопороговой лазерной гетероструктуры «. с1а=200Л, й^О.Д-О.бцт) ширина мезы з районе активной области должна быть менее

2. Причиной падения квантовой дифференциальной эффективности и увеличения пороговых плотностей тока в зарощешшх х'пОаЛзР/ОьАз ГО ДГС лазерах с ширинами мезошлоска менее ьцл яаля'.'уоя подрастание доли токовых утечек и вклада безызл^чателиюч рекомбинации на границе активная область- олокиручччт .

Поэтому максимальная мощность одномодового лазерного излучения в мезаполосковых лазерах на основе InGaAsP/GaAs PO ДГС не превышает 1Т0п® в непрерывном режиме генерации при комнатной температуре.

3. Для получения максимальной одномодовой мощности оптическогс излучения необходимо увеличить ширину мезаполоска W в лазерах с широким контактом до 8pm за счет уменьшения толщиш волновода лазерной гетероструктуры раздельного ох'раничения дс 0.2 мкм и. в лазерах с узким контактом до 10цт за счет уменьшения ширины контакта над мезополоском до 4цш.

4. На основе лазерных гетероструктур InGaAsP/GaAs раздельного ограничения созданы одномодсвыэ лазеры с мощность* излучения 250ii)W с узким контактом в слое S102 и мощность» одномодового излучения 260mW с тонким расширенным волноводом е непрерывном режима работы при комнатной температуре.

5. На основе InGaAsP/IiiP и InGaAsP/GaAs гетероструктур с раздельным оптическим и электронным ограничением изготовлень быстродействующие лазерные диоды с длинами волн излучения А.=0.8,1.3,1.55|im с диапазоном частотной прямой амплитудноГ модуляции 5,9,7Тгц при мощности оптического излучения соответственно ТО, 80, 50mW.

Апробация работы. Основные результаты диссертационное работы догладывались на Second International Russian Fiber Optics and Telecommunication Conference (ISFOO'92), 1992, St.Petersburg, Russia.

Публикации. По материалам диссертационной работа опубликовано 7 работ, список которых приведен в конце автореферата.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объеь диссертации составляет 104 страницы, из них 59 страниц текста, 45 стрмпщ с рисунками. Список цитируемой литературы включает 4( наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теш, сформулирована основная цель работы, приведены положения, ылюсда.ше на защиту.

Первая глава посвящена краткому обзору литературных данных по полупроводниковым гетеролазерам в системе твердых растворов МаАзР/СаАз.

В первом параграфе дана характеристика системы 1пСаАзР. Для четверных растворов ГпСаАэР, принцип изопериодического замощения реализуется посредством изменения в твердой фазе соотношение атомов Са/1п и Аз/Р, при этом возможно варьировать ширину запрещенной зоны ст 0.35 эВ до 2.23 эВ. Ширина запрещенной зоны твердых растворов 1пСаАзР * изопериодических с СаАз, меняется в диапазоне 1.44-1.9 зВ. При этом раст1эры имеют "прямую" структуру зон, что является одним из основных требований к материалам, применяемых для изготовления излучающих гетероструктур. Метода-МОСТИ и ЬРЕ определены как основные методы для получения твердых четверных растворов 1пСаАзР. Метод КОСТИ дает несомненно' большую воспроизводимость ростовых процессов и позволяет выращивать слои от нескольких десятков ангстрем до единиц микрон. Однако, развитие нового модифицированного метода кидкофазяой эпитаксии также позволило выращивать тонкие -50 А с достаточно высокой степенью однородности эпитаксиальные слои. Предпочтение сило этдано модифицированному методу ЬРЕ, который является наиболее простым, дешеЕым и удобным для построения экспериментального процесса е лабораторных условиях.

Во зтором параграфе рассмотрены основные преимущества МаАзР/СаАз гетероструктур с раздельным электронным и оптическим эграничением в сравнении с классическими ДГС с точки прения создания лазерных диодов, обладающих минимальными пороговыми мощностями тока и повышенными мощностями излучения. Создание раздельного электронного и оптического ограничения удается за зчэт выращивания симметричного волновода у активной облзстн при здаювременном ее сужении. Это позволяет уьеличигъ фактор оптического ограничения г . При мала/, толщинах : «тачной о'.м-к.ч V:

<ia~i 00 А фактор оптического ограничения га в Р0 ДГС лазерах почти на порядок выше, чем в ДГС лазерах, что приводит к снижению уровня потерь в РО ДГС лазерах с тонкими активными областями и к снижения пороговой плотности тока в сравнении с обычными ДГС лазерами. РО ДГС лазеры обладают сильной зависимостью пороговой плотности тока от длины резонатора, минимальные значения которых достигались при длина резонатора более 1mm. В четырехсколотых образцах она составила 55 A/cm'. В оксиднополоскових лазерах с шириной полоска ЮО^ш максимальная квантовая дифференциальная эффективность ^ составила 80S. Максимальная мощность в непрерывном режиме работы лазера с длиной резонатора Ь=1.16 пю достигала pi5W при токе инкекции I-5A, при температуре топлоотвсда 10°С. В импульсном режиме максимальная мощность была чуть меньше 10W (грИООпБ).

В третьем параграфе рассмотрены основные характеристики одномодоеых гетеролазеров в системе твердых растворов InGaAsP/GaAs, излучающих на длине волны Т^О.бцт. Полосковые гетеролазеры можно разделить на две группы: имеющие и неимеющие оптическое ограничение в плоскости волновода. Наиболее технологичной и эффективной для создания одномодовых лазеров является зарощеннная мезаполосковая конструкция, обладающая планарностью и позволяющая создать эффективное оптическое и токоЕое ограничение. В конструкции зарощенного лазера модовый состав излучения определяется геометрическими- размерами волновода. Расчйты псказрли, что ширина полоска W зарощенного лазера с толщиной активной области с1а=0.1мт, для одномодового излучения должна быть порядка W-0.7- 1.2мШ. У лазерных диодов, изготовленных на основе ГО ДГС, меньше плотности пороговых токов и большч выходная оптическая мощность, чем у лазерных диодов на опюге ДГС. Поэтому для создания зарощеншх одномодовых InGaAcP/GaAs лазеров использовались ГО ДГ структуры. На лазерных дкодчх с шириной по.'оска W-7^гп была достигнута мощность излучения Г . .-50rtnW с нл'.тнс'лг'-.ю порогового тока I.. '.O.^kA/cm2.

гг. i л ш

У.эко/Mv.i нзя мошгл??; о^г л.'одоеого излучения н* пр-ьыш&ла 170mW

при температура Т=10°С в непрерывном режиме работы в лагере с шириной полоска

В четвертом параграфе вначале рассмотретш основные конструктивные элементы СВЧ-тракта и лазерного диода, ограничивающие частотный диапазон прямой аиплитудной модуляции полупроводникового геторолазера. Основшми конструктивными элементами смонтированного лазерного диода являются индуктивности подводящих проволочек, бмкость лазера и контактное сопротивление, каждый из которых может внести ограничение в частотный диапазон прямой амплитудной модуляции полупроводникового лазера. Влияние индуктивности соединительной проволочки до 20СНг исключается при их длине не солее 0.5шш. Емкость лазерных диодов с широким контактом равна ~30-60рР, которая, главным образом, образована контактами. Для того, чтобы достичь высокочастотной модуляции, в первую очередь необходимо изготавли. ать лазерные диоды с малой паразитной емкостью. Два основных пути уменьшения паразитной Вмкости являются уменьшение площади контактов и исключение их влияния заполнением межконтактной области диэлектрическим материалом. Существующие конструкци лазерных диодов позволяют проводить прямую амплитудную модуляцию свыше ЮГгц, но при отом эти лазерные диода не обладают большой мощностью излучения. Дальнейшая разработка полупроводниковых РО ДГС лазерных диодов представляется, как соединение быстродействия и высокий излучательной мощности лазерных излучателей.

Таким образом, к моменту начала выполнения данной диссертационной работы была разработана технология осажценим сверхтонких элитаксиальннх слоев (с толщиной до ЬО А), в системе ТЕордых растьороь ХпОаАрР/СаЛз получены лазерные гетероструктуры раздельного ограничения с малыми пороговый! плотностям'/, тот и многомодовые лазерные д^оды, обладающие рекордным-!, на сегодняшний день, мощностями оптического получения ^ Вт). Пыли прогедены порвио эксперименты по созця'иш одночодоьых гетеролазеров на основе 1пСаАаТ'/0аА& ГО Д1'С, которые и« п;и:ьли: к существенному унишченш) м^ищогтл излучения тгжчх ляс».-;ч>чх дно до:-в сряьнонии с трплиционним;! одн'-модок.тач Д1 о лязораг.м.

Во второй главе приводятся результаты расчетов и экспериментальных исследований по определению влияния конструктивных параметров на характеристики одномодовых зарощенных InGaAsP/GaAs PO ДГ лазеров и результаты исследований излучательных характеристик разработанных мощных одномодовых мезаполосковых зарощенных лазеров на основе квантоворазмерных InGaAsP/GaAs PO ДГС, излучающих на длине волны Х.=0.8цга.

Первый параграф посвящен описанию некоторых технологических этапов изготовления и конструкции зарощенных полупроводниковых РО ДГС лазеров на основе InGaAsP/GaAs. Основными этапами технологии изготовления зарощенных лазеров являются процессы эпитаксиального выращивания, травления мез и заращивание п- и р-слоями InGaAs, создающими обратно смещЭнный р-г.-пероход, необходимый для ограничения протекания инкекциошого тока по мезаполоску. Наименьшее контролируемое значение W при этом может быть ~1.5|лп. Выбранная форма мезополоска и подобранный режим процэсса заращивания позволяет совместигь блокирующий р-п-переход заращивающих слобв с инжекционным р-п-переходом лазерной структуры. Точное совмещение р-п-переходов позволяет добиться уменьшения утечек в области мезаполоска. Наличие проникающих дефектов в области блокирующих слобв, через которые возможны утечки инжектируемого тока, вызывает необходимость нанесения изолирующего слоя S102 на зарощенные • области лазерной гетероструктуры.

Во втором параграф приводятся результаты расчётов и экспериментальных исследований по определению условий одномодовой генерации зарощенных InGaAsP/üaAs PO ДГС лазеров с длиной волны излучения \=0.8|_ini. По результатам расчбтов установлено, что однсмодоьыми лазеры остаются при ширине полоска W<2.5m, а начиная с W=6-7Vm доминирующее излучение нулевой меда должно оставаться только при незначительном превышении порогового значения инжектируемого тока. Экспериментальные исследования показали, что ширина полоска одномодового лазера оказалась в 1.5 разя шире, чем следовало из расчетов. Вероятно это связано с

наличием диффузии носителей заряда и их граничной рекомбинации. Граничная рекомбинация вносит дополнительные потери на перефирии активной области, куда приходятся максимумы интенсивности мод более высого порядка, чем нулевая. Поэтому для этих мод необходимо более высокое значение ¿сплетя в реальном волноводе зарощешюго лазера, чем в идеальном диэлектрическом волноводе. В экспериментальных исследованиях использовались зарощешше лазеры с ширинами полосков W от 2 до 11/лп. Толщины е-лнсвсдов и ативных областей составляли соответственно с^-О.Д-О.б^т и й^бО-гбОА. Определено, что одномодовыми лазеры остаются до ff<4vm. В лазерных диодах с W<4-7|im доминирует мода 1-го порядка, а при ширине . мезаполоска ïï<0(jjn второго порядка. Мощность' одномодового лазерного излучения не превышала 170mW у лазеров с узким голоском. Обнаружено возрастание пороговой плотности тока и. уменьшение квантовой дифференциальной эффективности т?^ у лазеров с W<7prn. Это объясняется увеличением потерь, связанных с возрастанием доли токовых утечек и вклада безызлучательной рекомбинации на границе активная область- блокирующие слои. Одномодовые лазеры имгот малую и значения ей не превышают 50-55%, в то время как широкие зарощенныа лазеры имеют п^-80%. Поэтому для улучшения параметров однсмодовнх лазеров необходимо уменьшить их внутреь.ше потери, исключить влияние токовых утечек и безызлучательной граничной рекомбинации, что позволит повысить значения квантовой дифференциальной эффективности и снизить значения пороговых токов в одкомодовых лазерах. Решение этой задачи можно предположить нескольким способами. Первый из них заключается в наибольшем совершенствовании боковых стенок мезы и более точ ом совмещении р-п-перехода блокирующих слоЗв с инжекционшм р-п-пе ре ходом. При этом необходимо решать дополнительные технологические проблемы в подбора режимов "металлического" травления и режимов выращивания эпитаксиальиых слоёв в зарощенной 'области. Второй предполагаемый способ -увеличение ширины мезополоска зарощенного лазера с сохргнениом идномг'Добости излучения. В настоящей работе был предложен второй слог'"", k.'iK наиболее простой.

Третий тргрэф псссязен расчетам и гкссвримбнталмшм

исследованиям условий генерации нулевой поперечной моды в зарощенных InGaAsP/GaAs РО ДГС лазерах (Х=0.8цт) с узким вскрытием контакта в слое SiOg. При сужении контакта над мезой можно получить значительную разницу в плотностях инфекционного тока под контактом и на краях активной области и, таким образом, преднамеренно снизить концентрацию инжектированных носителей в активной области вблизи блокирующих слобв, что позволяет подавить возникновение высших мод в широком диапазоне токов накачки. Расчеты показали, что заметное улучшение модового состава достигается при разности ширины активной области и контакта больше 3-4рл1. Для проведения эксперимента были изготовлены зарощенные гетеролазеры с узкими контактами <»>-4-6(лп с полосками с шириной W ст 4|jjti до 15(iin. Одномодовая отсечка для таких лазеров лежит в пределах ширины полоска W=8-1Оцта. Максимальная мощность одномодового излучения у изготовленных зарощенных лазеров достигала P=250mW при токе инжекции 1=300шА. Пороговая плотность у таких лазеров была в пределах Jtil=0.55kA/cm^, а дифференциальная квантовая эффективность r^-TO-TSX.

Четвертый параграф посвящен экспериментальным исследованиям условий генерации нулевой поперечной мода в мезаполосковых зарощонных InGaAsfVGaAs лазерах раздельного ограничения с тонким волноводом. .Фактор оптического ограничения волновода в горизонтальном направлении зависит от эффективного показателя преломления пЭф, который определяется толщинами активной области cla и вслноводных слобв dg, показателями преломления волноводных слоОв пв, зарошенной области и эмиттеров пэ. Качественно можно предположить, что выравнивание показателей преломления блокирующих слоЗв и волновода должно привести к "ослаблению" волноводе и вытеканию нулевой поперечной мода из волновода з поперечном направлении, в результате чего ширина мезы у лазеров с ощюмодовым излучением может бить увеличена. Уменьшить эффективный показатель преломления п^ф можно, уменьшая толщину волночодьих слоЗв. Расчеты показали, что уменьшение толщины ьолновоца с 0.5/iir. до 0.?мт позволяет увеличить ширину полоска

одномодовнх лазеров в 1.5-2 раза. Но уменьшение ширины волноводных слобв приводит к резкому снижению оптического ограничения в плоскости, перпендикулярной эпитаксиальним слоям, и, как следствие, к повышению пороговой плотности тока . Поэтому полностью отказываться от волноводных слоёв в мощных зарощенных лазерах не имеет смысла, а необходимо найти компромисс между увеличением пороговой плотности и возможностью получить мощное одномодовое излучение. Изготовленные РО ДГС л-зеры имели толщину волноводных слоёв -О.'брт. Ширины мезополосков составляли от 5 до 1I.5цш. Минимальные значения плотностей токов в лазерных диодах с тонкой активной областью (3^-0.1 бцш в 2-2.5 раза больше, чем в лазерах с толщиной волноводных слобв с1а-500А. Абсолютная величина иорогоьчх токов в таких лазерах составляет 1-70-1СХМА. значения дифференциальной квантоиой эффективности т)^ составляли -75%. Максимальная мощность одномодового излучения на напаянных лазерах в непрерывном режиме работы при длине резонатора 1/-750|ип и ширине полоска 1Л(--8шп составила Р-260тИ при токе инжекции 1=340тА. На одну из граней наносилось зеркало с коэффициентом отражения Н-95%.

В пятом параграфе приведены результаты экспериментальных исследований спектральных свойств зарощенных гетеролазеров на основе МаЛвР/СаАз с длиной волны излучения \=0.8цт. На пороге генерации в непрерывном режиме у одномодовнх лазеров наблюдалась генерация одной продольной моды. Но с увеличением инжекционного тока происходило уширение спектра и смещение его в длинноволновую область спектра. Полуширина уширенного спектра достигала -30А. У лазеров с №<15(-ип генерация начиналась с одной продольной моды в режиме одномодового излучения поперечных мод. При дальнейшем увеличении тока инжекции с перестройкой поперечных мод в спектре возникала группа продольных мод, обычно в коротковолновом диапазоне спектра, интенсивность которых увеличивалась с током накачки. Отмечена зависимость длины волны генерации лазера от длики -м'о резонатора. Это связано с внешними оптическими потерями, определяемыми длиной резонатора и коэффициентом отражения •,— ЕК . •: Н!«х ПХШ'-Й Л.'и'^рн.НЧ! диода. Т'и'.ое СЬОЙСТБО позволяет •• .:.•■ д-.:'1!у I. ХШ1 излучен;',л лазера длиной резонатора, а также

нанесением просветляющих или отражающих покрытий на грани лазерного диода.

Шестой параграф посвящен исследованию срока службы мощных одномодовых мезаполосковых зарощенных 1пСаАвР/СаАз гетеролазеров раздельного ограничения. Ресурсные испытания показали, что разработанные и созданные мощные одаомодовые мезаполосковые зврощенные 1пСаАзР/СаАз гетеролазеры раздельного ограничения обеспечивают надежное функционирование в течение 45000 часов при мощностях оптического излучения 5(Ш и ЮОтГС.

Таким образом, в результате теоретических расчётов и экспериментальных исследований созданы одаомодовые ШСаАзР/СаАБ РО ДГС лазеры с рекордными на сегодняшний день мощностями оптического. излучения, проведены исследования их излучательных характеристик, а также ресурсные испытания изготовленных одномодовых лазерных диодов.

Третья глава посвящена исследованиям модуляционных характеристик полупроводниковых 1пСаАаР РО ДГС лазеров и получению на их основа быстродействующих мощных лазеров.

В первом параграфе приведено описание экспериментальной установки для измерения частотного диапазона прямой' амплитудной модуляции у лазерных диодов. Основные требования к такой установке - обеспечение согласования импедансов СВЧ-линии и лазерного диода. В нашем случае это достигалось использованием мшфополоска и согласующего 470м сопротивления. Микрополосок и лазерный диод соединялись при помощи золотей проволочки, индуктивность которой не превышала О.йпНп. Данная конструкция обеспечивает подеод СВЧ-сигнала к лазеру в диапазоне частот до 12СНа.

Второй параграф посеящон исследованиям модуляционных характеристик мощных зарощенных РО ДГС лазеров на основе 1п0аАзР/СаАз (А^О.Зцт) к 1пСаАвР/1пР . (Х=1 .Зцт, А.= 1.55цт). Частотная полоса модуляции не превышала , хотя при высоких уровнях накачки релаксационные пики сдвигались в область 4- 5СНг.

Ограничивающим фактором у зарощенных. лазеров является наличие паразитных емкостей. В первую очередь для улучшения быстродействия исследуемых лазеров необходимо уменьшить значение их паразитных емкостей.

В третьем параграфе описаны конструкции и технологические операции, используемые для изготовленния быстродействующих 1п0аАзГ РО ДГС лазеров. Исходными послужили зарощенные РО ДГС структуры с толщиной активной области -15О-200А и толщиной волноводных слобв -0.4-0.5|от. Было изготовлено два варианта быстродействующих лазерных диодов. Первый вариант конструкции представлял из себя лазер с уменьшенной площадью контактов ~150«150|лт. Для изготовления лазеров Еторой конструкции в вытравленную область в блокирующих слоях наносили полиамид. Паразитные бмкости лазеров обеих конструкций не превышали 2рР.

В четвертом параграфе рассмотрены результаты измерений прямой амплитудной модуляции изготовленных быстродействующих лазеров. Максимальная частота прямой малосигнальной амплитудной модуляции РО ДГС лазеров на основе 1пСаАзР/1пР с длиной еолны .Зрл1 с р- контактами малой плошади составила' Г_3(щ=6СНг при длине резонатора -450цт и мощности оптического излучения Р=35-40п№. Но лазеры данной конструкции возможно монтировать только вниз подложкой, что не обеспечивает отвод тепла от лазерного- диода и ограничивает его мощность оптического излучения. Возможность монтировать быстродействующий лазерный диод вниз р- контактом предоставляла конструкция с полиамидными слоями. Лазеры с полиамидными слоями были изготовлены на основе 1п0аАзР/1пР РО ДГ структур с длинами волн А,=1 .Зрш и .55^лп, а также на основе 1пСаАзР/СаАз РО ДГ структур с длиной волны \=0.8цт. Мощности оптического излучения и частотный -диапазон прямой амплитудной модуляции составляли, соответственно, ТОгаИ, 8.5СНг; 50ш«, ~6-7СНа; 9СМ, ~6СНг.

В заключении диссертации сформулированы основные результаты работы.

1. Решены технологические аспекты изготовления высокоэффективных узких мезаполоокогах зарощенных 1пСаАзР/СаАз лазеров раздельного

ограничения и разработаны методики контроля надежности технологи! заращивания мезаполосковых лазерных гетероструктур.

2. Проведены экспериментальные и теоретические исследования возможности увеличения оптической мощности одномодовых зарощенных мезаполосковых 1пСаАзР/СаАБ РО ДГС лазеров в зависимости от геометрических параметров лазерного диода и толщины волноводе исходной гетероструктуры.

3. Установлено, что зарощенные РО ДГС лазеры с широки, вскрытием полоска сохраняют одномодовый режим генерации прр ширине мэзополоска менее 4 цш при максимальной мощности одномодового излучения 17СШ.

4. Определено, что в одномодовых зарощенных лазерах с шириноГ мезаполоска ИКбцт наблюдаются снижение квантовой дифференциально! эффективности и возрастание пороговой плотности тока. Причиной этого является увеличение доли внутренних оптических потерь, обусловленное наличием центров Оезызлучательной рекомбинации ш границе активная область- блокирующие слои и токовых утечек I пассивные области.

5. Установлено, что увеличение мощности одномодового излучения I зарощешшх ХпСаАзР/СаАз РО ДГС в 1.5 раза возможно при увеличенш ширины мезополоска до 8(1т и Юра за счбт уменьшения толщиш волноводиос слоев до с^сО.грт или за сч8т уменьшения ширит контакта над мезополосксм до И<4ит, соответственно.

се ее»

6. Выли разработаны и изготовлены лазерные диоды с рекордным! мощностями оптического излучения в непрерывном режиме генерациз 26От» нэ длине волны 0.8цт.

7. Ресурсные испытания при повышенных температурах (50°С, 70°С показали, что прогнозируемый срок службы при мощностях излучоши !50тГС и ЮОгсУ? в одномодовых мезаполосковых зарощенных 1п0аАзР/0аА: РО ДГ'С лазерах может достигать 45000 часов при комнатно! температуре.

8. Исследованы модуляционные характеристики мощных зарощонны; МаАзР/ШР и ШОаАйР/СаАз РО ДГС (Х=0.8,1.3,1.55цт) лазеров ) определено, что частотный диапазон прямой амплитудной модуляцш

- 17 -

таких лазеров не превышает 2-2.5Ггц.

Использование изолирующих полиамидных слобв позволило создать 5ыгтродействующие лазерные диоды на основе InGaAsP/InP и CnGaAsP/GaAs гетероструктур с длин а ют волн излучения i.=0.8,1.3,1.55(xm с диапазоном частотной прямой амплитудной годуляции 5,9,7Ггц при мощностях- оптического излучения, ;оответственно,70, 80, 50mW.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих заботах:

Garbuzov D.Z., Gorbachev A.Yu., Stankevlch A.L., Tarasov I.S., Triionov A.S., Urikh K.I. "Noise and reliability of high- power 0.8 ^m buriecl InGaAsP/GaAs SCH SQW laser diodes" to be published in J. Appl. Phys.

Berishev I.E., Garbuzov D.Z., Gorbachev A.Yu., Ilyln Yu.V., Ilyinskaya N.D., Saullch A.M., Rassudov N.L., Tara30v l.S. "SHF-Modulatlon characterlstica of semiconductor lasers and optical units for FOC.ISFOC-92, St.Petersburg, Russia, 1992, pp.149-150.

I. Berishev I.E., Garbuzov D.Z., Gorbachev A.Yu., Ilyin Yu.V., Ilyinskaya N.D., Saullch A.M., RassudovN.L., Tarasov l.S. "Powerfull continues wave InGaASP/InP lasers for F0C"ISF0C-92, St.Petersburg, Russia, 1992, pp.146-148. Trlfonov A.S., Urih K.I., Garbuzov D.Z., Gorbachov A.Yu., Ilyin Yu.V., Tarasov l.S. "Noise characteristics of semiconductor lasers with different spectrum of longitudinal modes"ISF0C-92, St.Petersburg, Russia, 1992, pp.151-152. Shell M., Huhse D., Weber A.G., Flschbeck G., Bimberg D., Tarasov I.S., Gorbachov A.Yu. and Garbuzov D.Z. "20 nm wavelength tunable slnglmode picosecond pulse generation at 1.3 pm by self-seeded gain-switched semiconductor laser" Electronics Letters, 1992, vol.28, N.23, pp.2154-2155. Еородацкий М.Л., Гарбузов Д.З.., ГорбачЗв А.Ю., Ильинская Н.Д., Лившиц Д.Л., Мариинский Д.Н.., Рафаилов Э.У., Станкевич Л.Л., Тарасов И.О. "Мощные одномсдовые F0 ДГС InGaAsP/GaA3 лазеры", "Письма в Журнал технической физики", 1993, т.19, вып.21, стр.78-84.

Т. Баришвв И.Э., Бородицкий М.Л., Горбачев A.D., Ильин П.В., Ильинская Н.Д., ЛвшицД.А.., Станкевич А.Л., Рафаилов Э.У., Тарасов К.С. "Одаомодовые InGaAsP PO ДГС лазеры с тонким волноводом (Х=0.8цт, Х=1.3цт)." 1994, в печати.

РТП ПИЯФ, зак.Ш, тир.100, уч.-изд.л.0,9; 24/II-I99Vr. Бесплатно