Полупроводниковые InGaAsP/InP ( λ =1.5-1.6 мкм) лазеры с оптическими периодическими неоднородностями тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

п/ л/^

РОССИЙСКА^АКАДЕМИЯ НАУК

ИКВ^

ФИЗ]^^®??®3?®^!^^^!]!!}:! им. А.Ф.ИОФФЕ

Про.

в И Д И ч/туг 15 Л '£,-- т-

■ (Решение от ' //

N9

*' " ' *1Л 1 Ож

Ц ^

У '^равлевмял

-\1\ ;-'О Г г»-*-

ПОЛУПТОВОДНИКОВШЙЙШй^^

ОПТИЧЕСКИМИ ПЕРИОДИЧЕСКИМИ НЕОДНОРОДЦОСТЯМИ

специальность: (01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора физико-математических наук в форме научного доклада

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1998

Официальные оппоненты:

член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук,

профессор ' Мокеров В.Г. ,

доктор физико-математических наук,

профессор Пихтин А.Н.;

доктор физико-математических наук,

профессор ~ Константинов О.В.

Ведущая организация - Санкт-Петербургский государственный технический университет, г. Сг >кт-П. теобург.

Защита состоится диссертационного совета Д 003.23. им.А.Ф.Иоффе РАН (194021, Санк-

С диссертацией в виде н, -Физико-технического ин.стиг/¡^ . .

Отзывы о диссертации в виде заверенные печатью, просим на; секретарю диссертационного со

ании институте ул.,26).

ься в библиотеке

ллярах, •/ ученому

Диссертация в виде и

Ученый секретарь диссертационного совет: доктор физико-математи

окин Л.М.

А

¡У ! кКА

\ / / о-'

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одним из наиболее ярких достижении физики полупроводников является создание полупроводниковых лазеров. Ключевой вклад в развитие этой области полупроводников был сделан Ж.И. Алферовым с сотрудниками. В 1963 году была сформулирована идея гетеролазера[1*], затем был создан первый гетеролазер и достигнут непрерывный режим генерации при комнатной температуре[2*,3*]. В этих лазерах обратная связь осуществлялась отражением генерируемого света от зеркал, выставленных перпендикулярно плоскости волноводного слоя и являющихся зеркалами резонатора Фабри-Перо. Вывод генерируемого излучения осуществлялся также через эти зеркала. Следствием этого являются следующие основные недостатки полупроводниковых лазеров с резонатором Фабри-Перо: большая расходимость в плоскости, перпендикулярной активному слою; ограничение предельной мощности; многомодовый режим генерации.

В 1971 году в Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе был предложен новый тип полупроводникового квантового генератора-инжекционный гетеролазер с дифракционной решеткой на поверхности волноводного слоя [4*]. Детальный теоретический анализ работы полупроводникового лазера с дифракционной решеткой на поверхности волноводного слоя был впервые выполнен в работе [5*], где были сформулированы основные физические принципы, лежащие в основе его работы и была построена модель, позволяющая оптимизировать параметры структуры такого лазера. В таком лазере в отличие от традиционного с торцевыми зеркалами достигается узкая диаграмма направленности генерируемого изучения и высокая его когерентность, обусловленная распределенной обратной связью (РОС) за счет интерференции встречных волн в волноводном слое с периодическими оптическими неоднородностями. Первые эксперименты по исследованию полупроводниковых лазеров с дифракционным выводом излучения проводились на гетроструктурах ОаАБ-ЛЮэАб [6*,7*]. Однако к началу наших работ генерация лазерного излучения за счет ?определенной обратной связи во втором порядке не была реализована. Между тем, ало ясно, что периодические оптические неоднородности в гетероструктурах в очетании с оптической накачкой открывают но те сти изучения как

физических параметров этих структур т- О .. и в них.

Развитие систем волоконно-опти истем связи в 70-х годах и особенно

получение группой японских исследова., 1979 году волоконных световодов с

минимальными оптическими потерями в чьном диапазоне 1.5-1.6 мкм [X*]. а

также демонстрация возможности усилеии <- в этой спектральной области на

основе кварцевого волокна, легированного ионам» эрбия Ег,< [9*], потребовало создания одночастотных инжекционных лазеров для этого спектрального диапазона. Такие лазеры могли быть созданы на основе ^ОаАэР /1пР гетероструктур со встроенными оптическими периодическими неоднородностями (со встроенной ДР). Следует отметить, что большая деградационная стойкость материала ЬЮаАяР из-за меньшей (на три порядка) скорости поверхностной рекомбинации по сравнению с АЮаАэ снимает ограничения, накладываемые на расположение дифракционной решетки относительно активного слоя, м позволяет совместить ДР с волноводным усиливающим слоем, а также решить проблему ресурса работы в непрерывном режиме. Тем не менее, к началу наших работ данное направление находилось в начальной стадии и исследования в области получения 1гЮаА5Р/1пР (1.5-1.6 мкм) лазеров с периодическими неоднородностями и их исследования не проводились. Наоборот, усилия зарубежных и отечественных исследователей в тот период был нацелены на создание коммерческих 1пСаАзРЛпР РОС-лазеров для спектрального диапазона 1.3 мкм.

Таким образом, проблема получения и исследования 1пОаА5РЛпР-лазеров с оптическими неоднородностями потребовала проведения комплекса физических исследований. Решению этой проблемы и сопряженных с ней задач и посвящена представленная работа.

Цели и задачи работы.

Основная цель работы заключалась в исследовании физических механизмов генерации вынужденного излучения в полупроводниковых лазерах с периодическими оптическими неоднородностями, работающих в спектральном диапазоне 1.5-1.6 мкм, определении основных факторов, влияющих на параметры таких лазеров, оптимизации этих параметров и создании новых конструкций таких лазеров.

В процессе выполнения работы решались следующие задачи:

• разработка экспрессных методов контроля параметров полупроводниковых гетероструктур 1пСаА5Р/1пР с помощью оптической накачки, необходимых для изготовления инжекционных лазеров с оптическими периодическими неоднородностям и,

а изучение процессов генерации вынужденного излучения в гетеролазерных структурах ЬЮаАэРЛпР (1.55 мкм) с периодическими оптическими неоднородностями.

• исследование спектральных, поляризационных и динамических характеристик инжекцнонных ЬЮаАхРЛпР-лазеров с РОС.

• определение основных факторов, влияющих на быстродействие инжекцнонных лазеров с РОС,

• практическая реализация и исследование особенностей режимов пассивной модуляции добротности и пассивной синхронизации продольных мод в ¡пОэАбРАпР - лазерах с резонатором Фабри-Перо и с РОС .работающих в спектральном диапазоне 1.5-1.6 мкм,

• создание и исследование линеек РОС-лазеров для мультиплексных систем связи.

Научная новизна и практическая ценность. В работе проведены комплексные теоретические и экспериментальные исследования процессов генерации в волноводных ГпОаАвРЛпР полупроводниковых лазерах с периодическими оптическими неодно-родностями.

Изучены особенности генерации в волноводных многомодовых лазерах с РОС во втором порядке при оптическом возбуждении, что позволило интерпретировать результаты, полученные позднее при инжекционной и электронной накачке. Предложен новый метод исследования спектральной зависимости интенсивности и поляризации вынужденного излучения гетеролазеров с РОС на различных участках полосы усиления - РОС-спектроскопия гетеролазерных структур. Методом РОС-спектроскопии изучена спектральная зависимость поляризации вынужденного излучения в гетероструктурах 1пОаА5Р/1пР (Х=!.5 мкм) с внутренней деформацией активного слоя, а также при сочетании этой деформации с размерным квантованием в сверхтонком активном слое. Изучено влияние изменения энергетического спектра носителей заряда за счет внутренних деформаций активного слоя на спектральную зависимость коэффициентов усиления ТМ- и ТЕ-поляризованного излучения в гетеролазерных структурах 1гЮаА5Р/1пР (>.= 1.55 мкм). Экспериментально изучено влияние случайных изменений толщины квантоворазмерного слоя (КРАС) на излучательные характеристики гетеролазерных структур.

Проведено комплексное теоретическое и экспериментальное исследование инжекцнонных 1гЮаА5Р/1пР (>.= 1.5-1.6 мкм)-гетеролазеров с РОС, в том числе имеющих расстройку длины волны генерации относительно максимума усиления. Проанализировано влияние расстройки на ключевые характеристики лазеров с РОС. Разработаны технологические рекомендации для получения высокой эффективности обратной связи в лазерах с РОС. изготовленных с помощью жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) в системе ¡пОаАвРЛпР. Определены условия получения максимальных значений. Изучено влияние поглощающей области, расположенной вблизи торца резонатора, на характеристики лазеров РОС. Показано, что в РОС-лазере с

поглощающей областью возможно получение экстремальных значений коротковолновой расстройки. Экспериментально исследована ширина и форма линии генерации. Показано, что устойчивость одночастотного режима повышается в РОС-лазерах с коротковолновой расстройкой.

В системе 1пОаА5Р в широком диапазоне составов измерены значения показателя преломления на длине волны генерации при комнатной температуре.

Предложена конструкция РОС-лазера с составным активным слоем. Показано, что в таком лазере эффективная ширина полосы усиления может быть увеличена на величину 5=кТ.

Показано, что использование дифракционной решетки со слабо меняющимся шагом для организации распределенной обратной связи в полупроводниковом лазере позволяет исключить появление брегговской щели в спектре генерации и получить одночастотную генерацию на брегговской длине волны.

Произведена оценка влияния имплантации тяжелых высокоэнергетичных ионов на времена жизни неосновных носителей заряда в материале 1пСаА5Р с составом, соответствующим ширине запрещенной зоны 0.785 эВ. Экспериментально получен и исследован режим пассивной модуляции добротности в лазерах спектрального диапазона 1.5-1.6 мкм с насыщающимся поглотителем, созданным ионной имплантацией. Разработан метод определения длительности пикосекундных импульсов оптического излучения в спектральном диапазоне 1.5-1.6 мкм, использующий внутреннюю генерацию второй гармоники в полупроводниковом лазере. Получена самосинхронизация продольных мод в ГпСаАяРЛпР (Л=1.55 мкм)-лазере с объемным активным слоем (толщиной 1 мкм) и длиной резонатора 400 мкм. Насыщающийся поглотитель создан имплантацией ионов в торцы лазера. Сформирована последовательность субпикосекундных солитонных импульсов, следующих с частотой повторения 100 Гц.

На основании этих исследований создан ряд новых конструкций полупроводниковых лазеров с существенно улучшенными параметрами, а также разработаны и исследованы: перестраиваемый волноводный ЬЮаАвРЛпР-гетеролазер с РОС и оптической накачкой, новый тип оптически накачиваемого 1пСаА5РЛпР-лазера с РОС в первом порядке, обусловленной динамическими неоднородностями в волноводном слое, полученными путем интерференционной оптической накачки. 4-х длинноволновая линейка 1пСаАзР/1пР РОС-лазеров 1.5-1.6 мкм) для

мультиплексных систем волоконно-оптической связи, что представляет значительный

интерес для практических применений. Ряд результатов работы передан на предприятия электронной промышленности.

На защиту выносятся следующие положения:

Положение 1. (О распределенном выводе излучения) Использование распределенного вывода генерируемого излучения через ДР в гетеролазерах с РОС во втором порядке дает важную информацию о физических процессах, происходящих в РОС-лазерах. а именно: О механизме обратной связи . об особенностях температурной стабилизации линии генерации, о механизме спектральной и пространственной перестройки генерируемого излучения, а также позволяет решить задачу создания источника мощного узконаправленного излучения.

Положение 2. (о динамической ДР для РОС). Глубина модуляции концентрации связанных дырок,создаваемая в ¡пСаАэРЛпР-лазерах с легированным акцепторами (ЫлкЮ17^ |018 см--1) активным 1пОаА5Р (>.= 1.55 мкм) слоем при возбуждении импульсным светом с периодически изменяющейся интенсивностью (Л=0.23 мкм), достаточна для возникновения РОС вследствие периодической модуляции оптического усиления, обусловленного переходами зона проводимости-акцептор. Положение 3. (О деформации активного слоя в 1пОаА5Р/1пР РОС-лазерах). Деформацию активного слоя в системе 1пОаАзР/1пР (>.= 1.55 мкм) можно задавать подбором соответствующего состава компонентов четверного 1пСаА$Р соединения. Внутренняя деформация активного слоя в гетеролазерных 1пСаА5Р/1пР РОС-структурах позволяет обеспечить поляризационную стабильность как ТЕ-так и ТМ-моды (в зависимости от знака деформации). При этом одноосное растяжение создает дополнительное преимущество для генерации ТЕ-моды практически во всей полосе усиления. В случае одноосного сжатия одночастотную генерацию ТМ-моды можно получить на длинноволновом краю полосы усиления в спектральном диапазоне, превышающем величину деформационного расщепления.

Положение 4. (О РОС-спектроскопии). Существенная разница температурных зависимостей спектральных положений линии РОС-генерации и ширины запрещенной зоны материала активного слоя ¡сЛкотсЛЗТ^сШеЛЗТ! позволяет, изменяя температуру, сканировать полосу усиления относительно фиксированной (в первом приближении) линии РОС-генерации; изучать интенсивность, поляризацию и дугие параметры генерируемого излучения как функциию положения линии РОС-генерации в спектре усиления. РОС-спектроскопия вынужденного излучения гетероструктур с КРАС позволяет выявить наличие размерного квантования в случае существенной неоднородности толщины квантоворазмерного слоя.

к

Положение 5. (О коротковолновой расстройке линии РОС-генерации в спектре усиления). Быстродействие РОС-лазеров с сильной связью (kL»1) и ненулевыми знамениями коэффициентов отражения на зеркалах может быть существенно улучшено при реализации брегговской генерации с сильной коротковолновой расстройкой (более 30 нм),а радиочастотная ширина линии при этом значительно уменьшена. Положение 6. (О подавлении мод Фабри-Перо). В РОС-лазерах с сильной обратной связью (k-L»1) возможно подавление генерации мод Фабри-Перо путем создания вблизи одного из торцов резонатора поглощающей области длиной Ьпогл^О-Ы-. Положение 7. (О составном активном слое в РОС-лазерй). Использование в РОС-лазере составного активного слоя позволяет увеличить эффективную ширину полосы усиления на величину 5=кТ без существенного ухудшения пороговых характеристик, а также добиться значительного увеличения температурного интервала существования одночастотной брегговской генерации и интервала непрерывной перестройки длины волны генерируемого излучения.

Положение 8. (О модуляции добротности в InGaAsP/InP (?.= 1.55 мкм) лазерах). Использование в полупроводниковом InGaAsP/lnP (Х=1.55 мкм) лазерах насыщающегося поглотителя, созданного глубокой имплантацией тяжелых ионов и обладающего малыми временами релаксации, позволяет достигать пикосекундных значений длительности генерируемых световых импульсов (t=20 пс), высоких частот повторения (до а 10 ГГц), большого динамического диапазона существования пульсаций (до 4-!-5-1п„р<>г) и высокой импульсной мощности (до 300 мВт) генерируемых импульсов. Положение 9. (О синхронизации мод) Использование сверхбыстрого насыщающегося поглотителя, созданного имплантацией тяжелых ионов, позволяет реализовать в InGaAsP/inP (Х= 1.5-1.6 мкм) лазерах с объемным активным слоем режим пассивной синхронизации мод с частотой следования субпикосекундных импульсов более 100 ГГц. При этом в случае лазера Фабри-Перо поглощаемая область создается у торцов лазерного диода, а в случае РОС-лазера поглощающая область распределена по длине резонатора.

Доклады и публикации.

Материалы диссертационой работы докладывались и обсуждались на следующих Всесоюзных. Республиканских и Международных конференциях и совещаниях.

Всесоюзной научно-технической конференции по полупроводниковым лазерам (Саратов, июнь, 1975): Международной конференции по интегральной оптике (С'олт-Лэйк Сити. США, январь, 1976): VIII Всесоюзной конференции по когерентной и

Г V? Vi' v S4 Vf * Si

ГОСУДАРСТВЕННАЯ

библиот6КА

') <

нелинейной оптике (Тбилиси, май. 1976); II Всесоюзной конференции по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах (Ашхабад, октябрь. 1978): Всесоюзной конференции по полупроводниковым лазерам (Калуга, май, 1979); V Республиканской конференции молодых ученых физиков (Баку, 1981) ; 1П Всесоюзной конференции по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах (Одесса, 1982); X Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Минск, 19X5): Международной конференции по полупроводниковым инжекционным гетеролазерам (Берлин, октябрь, 1987); XII Всесоюзной конференции по микроэлектронике (Тбилиси, октябрь, 1987); Республиканской научной конференции