Разработка и исследование излучательных характеристик мощных одномодовых InGaAsp/InP лазеров раздельного ограничения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

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

На правах рукописи

ШГЬИН Юрий Валерьевич

УДК 621.315.592

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ 1ШУЧАТЕЛ.ЫШ ХАРАКТЕРИСТИК МОЩНЫХ ОДНСМОДОВЫХ ШСаАзР/ТпР ЛАЗЕРОВ РАЗДЕЛЬНОГО ОГРАНИЧЕНИЯ

специальность 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ • диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-матаматических наук

Са.чкг-Питер^ург Ю93

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

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,

старший научный сотрудник И.С.Тарасов.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Б.В.Царенков,

доктор физико-математических наук, профессор Л.Е.Воробьев.

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет.

Защита состоится " 199^ г. в ^^ часов на

заседании специализированного совета N0. К 003.23.01 при Ордена Ленина физико-техническом институте им.А.Ф.Иоффо 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

1993г.

Ученый секретарь спец;:"х/.з:!роважого соертз кен.то:пт физнко-математкчаских наук

IГ.С.Куликов)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. Бурное развитие в области технологии оптических волокон и элементной базы для БОЛО за последнее десятилетие привело к еозможю сти создания трансконтинентальных высокоскоростных оптических линий передачи ив*ормации. Одной из основных проблем при создании текях линий связи является увеличение длины рвгенера'ционных участков до 100 и более километров. Такое увеличение длины рогенератдаошшх участков может бить достигнуто лишь за счет применения в качестве источников излучения мощных одномодовых полуяровод^шковых лазеров, созданных на основе InGaAsP/InP-гетероструктур раздельного ограничения и имеющих значительные преимущества перед традиционными "ГС лазерами с точки зрения получения минимальных порогоЕЪл плотностей тока и по шенных мощностей излучения.

К моменту начала выполнения диссертационной работы (1988 год) была разработана технология изготовления InGaAsP/InP' лазерных гетероструктур раздельного ограничения со сверхтонкими активными областями (а~100 А). Использование таких InGaAsP/InP PO ДГС для

а

создания оксидно-поло сковых и мезаполосковых зарощешчгх гетеролазеров позволило получить многомодовие лазерное диоды, обладающие рекорднкми мощностями оптического излучения. Однако, первые эксперименты по создай!» одномодовых гетеролазьров на основе InGaAsP/Ini PO ДГС с супертонкиш активными областями не привели к заметному увеличению мощности таких лазерных дтюдоп по сравнению с существующими од омодовыми ДГС лазерами.

Актуальность данной работы заключается б том, что г; ной впервые получены мощные одномодовые InGaAsP/InP (\= 1.15-И 55 мкм) гетеролазеры раздельного ограничения и подробно исследованы их излучательные характеристики; установлены с тимгш.ни" конструктивные параметры для создания о; юмидовых InGaAsP/rnP Po ДГ лазеров повышенной мощности: изучена возможность эфг2юr«.riHt>•''> согласования полученных лазерных диодов с одномодокшл сптпчесииа волокном; разрасюташ и исследованы передающие оптические мо.'г^.пи для сверхдальних волоконно-оптических линий связи но оега>е таких гетеролазеров.

Основная цель работы заключалась в разработке оптимальной конструкция мощных одномодовых зарощенных 1пСаАзР/1пР (х-1.15+1.55 мкм) гетеролазеров раздельного ограничения, исследовании иу излучательных характеристик и создании зисокоэффективных передающих оптических модулей повышенной мощности для дальних волоконно-оптических линий с^язи.

Достижение поставленной цели включало следующие основные этапы.

1. Проведение исследований по выбору оптимальных конструктивных параметров и получение мощных одномодовых зарощенных мезаполооковых МаАаРЛпР (х=1.15+1.55 мкм)-гетеролазеров раздельного огран/ :ения.

2. Исследование излучательных характеристик полученных мощных одномодовых зарощенных 1пСаАэР/1пР- гетеролазеров раздельного ограничения с длинами волн излучения х=1.15+1.55 мкм.

3. Проведение исследований по эффективному согласованию мощных одномодовых зарощенных 1пСаАзР/ТпР (х=1.3; 1.55 мкм) РО ДГ Озеров с одномод^вым оптическим волокном, разработка конструкции передающего оптического модуля повышенной мощности для дальних -олоконно-оптических линий связи и исследование основных параметров таких оптических модулей.

Н учная новизна и практическая ценность работы заключается в том, что в ней исседовано влияние конструкции лазерной гетероструктуры раздельного ограничения на устойчивую работу. в одномодовом режиме генерагрга мощных мезополоскоь-х зарощенных \пСаА8Р/ШР РО ДГ лазеров. Показано, что уменьшение толщины расширенного волновода исходной РО ДГС поз, эляет создать высокоэффективные одномодовы- мезаполосковые зароненные ГпОаАзР/ЫР (к=1.15+1.Ь5 мкм) гетеролязеры раздельного ограничения, обладающие рекордными, на сегодняшний день, мощностями оптического излучения в непрерывном рекиме генерации. Установлено, что прогнозируемый срок службы при повышенных мощностях излучения в таких лазерных даодах может достигать 50.000 часов при комнатной, температуре. Предложено решение ряда технологических проблем, . не позволявших ранее создать 1-нсоко" ЗДективные излучающие приборы с малой шириной активной области (й<5 мкм). На остове мощных одномодовых мезаполооковых

зарощенных ШЗаАз! ЛпГ РО ДГ лазеров разработаны высокоэффективные передающие оптические модули для дальних волоконно-оптических линий связи и подробно иссл9дорэны их основные параметры.

Основные положения и разул гата, виносидне на защиту, сводятся к следующему:

1. Падение дифференциальной квантовой эффективности и сверхлиной-ное возрастание пороговой плотности тока при уменьшении лчины резонатора лазерных диодов раздельного ограничения в системе 1пСаАэР/1пР обусловлено возрастанием внутренних оптических потерь и увеличением скорости безызлучательной оже-рекомбина-ции из-за роста пороговой концентрации нераbl.ee :шх i ситоле.: в тонкой активной области.

2. Для достижения максимальных мощностей оптического излучения ; одномодовых мезап юсковых зароненных 1пСаАаР/1пР РО ДГ лазерах необходимо уменьшить толщину расширенного волнг ода лазер "ной гетчроструктуры раздельного ограничения до величины, не превышающей 0.2 мкм, и, за счет .этого, увеличить ширину меза-полоска № до 2.5+4 мк" при сохраяекши устойчивого одномодово-го режима генерации.

3. Для получения максимальных мощностей оптического излучения в одномодовы/ мэзаполосковых зарощэнных 1пСаАбР/1п1 РО ДГ лазерах необходимо, чтобы длина резонатора лазерных диодов Ь соответствовала достижению з них максимальной дифференциальной квантовой эффективности (о^)- ' •

4. На основе лазерных гет.роструктур 1иС,аАяР/ТпР раздельного ограничения с тонким расширенным волноводом созданы одномодо-вые мэзаполосковые зарощешше РО ДР лазеры с мощностями оптического излучения 250 мВт (*.=1.3 мкм), 1Б5 мВт (л =1.18 мкм) и 90 мВт (х=1.55 мкм) в непрерывном режиме генерации при комнатной температуре.

5. На основе мощных одномодовых мезаполосковнх зарощоигых РО 1п0аАз?ЛпР лазеров созданы передающий онтическ 'в модули с мощностью непрерывного излучения 50 мРт мг О и 18 мВт (х=1.55 мкм) для сверхдальних волоконно-оптических линий передачи информации.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывали ь на V Всесслзной конференции по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах, Калуга, 1990; I-st internaыопах Sov'.et Tiber Optic Conference (ISFOC-91) USSR, Leningrad, 1991; 10-th Simposium on Alloy Semiconductor Physics and Electronics, 1991, Japan, Nanoya; III European Conference on Crystal Grovit ( ECCC-3 ), 1991, Hungary, Budapest; SPIE International Symposium on Lasers, Sensers, and Spectroscopy (Section: Laser Diode Technology and Applications IV ), 1992, USA, Los Angeles, 'Second International Russian Fiber Optics and Telecommunication Conference (ISFOC'92), 1992, St.Petersburg, Russia.

Публикацииt' По материалам диссертационной работы опубликов8«но 11 работ, список которых приведен в конце <)Бтореферат£

Объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка' цитируемой литературы. Общий объем да сертации составляет страниц, из них 68 страниц текста, 48 страниц с рисунками, 2 страницы с таблицами. Список цитируемой литературы включает 50 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ '

Во введении обоснована актуальность теш, сформули^ювана основная шль, даны сведения о структуре рабош и приведены положения, выкосимае на защиту..

Первая глава полвещеяа краткому обзору литературных данных по полупроводниковым гетеролазэрам в системе твьрдых растворов InGaAsP/lnP.

В первом параграфе дана характеристик. системы In-Ga-As-P. Тверды» растворы Хп.^Оа^ЯуР^у, чзопериодическме с InP, имеют "прямую" структуру энергеткчиских зон во всем диапазоне состльов, что является одним из основных требования к материалам для »•a.vwucnjix гвтероструктур. Еирина запрещенной зонл (Е ) четвоьных

соединений ЗлСаАаР, изопериодаческих с 1пР, может изменяться от 0.73 до 1.35 эВ при комнатной температуре, что делает возможным создание в этой системе полупроводников. х гетеролазеров с длинами волн излучения х=1.1+1.65 мкм. На этот же спектральный диапазон приходится минимум потерь и нулевая дисперсия в современная оптических кварцевых волокнах. Поэтому система твердых растворов 1пааАяР/1пР наилучшим образом удовлетворает требованиям, предъявляемым к материалам для элементной Сазы излучателей волоконно-оптических линий связи.

Во втором параграфе рассматриваются основные особенности осаадения тонких (~100 А) слоев четверных соединений 1пСаАзР/1пР. необходимых для создания гетеролазеров раздельного электронного и оптического ограничения. Отмечается, что наряду с такими высокотехнологичными методами, как газотранспортная эпитаксия из маталлоорганических соединений, молекулярно-пучковая эпитаксия и химическая пучковая питаксия, разработанный в ФТИ им. '.Ф.Иоффе РАН модифицированный метод жидкофазной эпитаксии позволяет обеспечит»- воспроизводимое осаждение однородных слоев соединений МаАзР с толщиной до 50 А. Кроме того, модифицированный метод жидкофазной эпитаксии позволяет оперативно изменять во время технологического процесса толщины осаждаемых четверных слоев в диапазоне от 50 А до единиц микрон, что делает особенно привлекательным его использование в лабораторных условиях для получения 1пСаАаР/1пР лазерных гетероструктур раздельного огратгчения с тонкими активными областями.

В третьем параграфе рассмотрены 'основные преимущество 1пСаАзР/1пР-гетероструктур с раздельным электронным и оптическим огранич.яием перед классическими ДГС с точки зрения создании лазерных диодов, обладающих мюммальшшк пороговыми плотностями тока и повышенными мощностями излучения. Отмечается, что создана симметричного расширенного волновода толщиной М].45 мкм наряду с одновременным уменьшением толщин активной области с! до величин, меньших 0.1 мкм, привело к резкому снижению пороговой плотности тока в 1пСаАэР/1пР РО ДГ лазерных диодах по сравнегчо с обьмтпши ДГС лазерами. Выращенные модифицированным методом жидкофазной эпитаксии 1п0аАзР/1пР (х=1.3 мкм, е}а=Ю0 А) лазерные гетероструктура РО обладают рекордными ня сегодняшний лень пороговыми плотностями тока ^ =120 А/см'0 в четыре/сколотых

образцах. Подчеркивавтся, что в лазерных диодах раздельного

о

ограничения пороговые плотности тока 150200 А/см достигаются при длине резонатора, превышающей 1 мм, что позволяет значительно увеличить их максимальную мощность излучения за счет снижения омического сопротивления и улучшения тепловых характеристик РО ДГ лазеров. Созданные на основе таких лазерных гетероструктур оксидно-полоикоьые (№=(00 мкм) лазерные диоды показали максимальное из достигнутых для одиночных гетеролазеров в системе 1пСаАзР/1пР (х=1.3 мкм) значение мощности непрерывного излучения в 1.2 Вт.

В четвертом параграфе рассмотрены основные характеристики одксмодовых гетеролазеров в системе твердых растворов 1пСаАаР/1пР. Дана краткая характеристика существующих конструкций одномодовых ШЗаАбР/ШР ДГ лазерных диодов. Отмечается, что наиболее технологичной и эффективной, с точки зрения создания мощных одномодовых лазеров, является зарощенная мезаполосковая конструкция гетеролазеров, позволяющая наилучшим образом реализовать преимущества пленарной лазерной 1пОаАзР/1пР ДГ структуры. Показано, что в таких ДГС лазерах с толщиной а. тиьлой области (1а«0.1ч-0.2 мкм для устойчивой генерации нулевой поперечной моды ширина полоска И должна лежать в пределах ^■¡■Z мкм, а максимальная мощность оптического излучения в них не превышает 5070 мВт при комнатной температуре. Подчеркивается, что применение 1пОа'зР/1пР РО ДГС позволило .создать высокоэффективные зарощешше мезаполосковые гетеролазерв обладающие низкой пороговой плотностью тока (<1 ~360 А/см2) и мощностью непрерывного излучения Р=ЗЮ мВт {Х=20' С) при ширине полоска УУ=8 мкм. Однако, уменьшение ширины полоска с целью получения устойчивого режима генерации нулевой поперечной моды привело к резкому увеличению пороговой плотности тока, падению дифференциальной квантовой эффективности I! коэффициента полезного действия в таких лазерных диодах. Таким образом, к моменту начала выполнения данной диссертационной работы не были реализованы возможности МаАэРЛпР- гетероструктур раздельного ограничения с гупертонкгми активными областями дня создания мощных одномодовых город^йних мезаяолоскошх гетеролазеров для волоконно-оптических иггем передач;! информации.

Во второй главе приводятся результаты расчетов и экспериментальных исследований по определении влияния конструктивных параметров и технологических фактооов на характеристики одномодовых зарощенных 1пСаАчР/1пР РО ДГ лазеров и результаты исследований излучательных характеристик разработанных мощных одномодовых мезаполоск вых зарощенных лазеров на основа квантоворазмерных 1пСаАзР/1пР РО ДГС, излучающих в диапазоне длин волн х=1.15+1.55 мкм.

Первый параграф посвящен определению влияния технологических факторов на параметры узких зарощенных мезяполосковых 1пааАзР/1пР РО ДГ лазеров и решению ряда технологических проблем, -не позволявших ранее создать высокоэффективные излучающие приборы. Отмечается, что основными причинами, вызывающими резкое ухудшение параметров таких лазерных диодов, являются: отсутствие совмещения блокирующего и инжектирующего р-п-переходов, приводящее к возникновению паразитных токовый утечек, и наличие большого количества центров безызлучательной рекомбинации а приповерхностной области мезаполоска, возыжаящих в процессе ' заращивания мезаполосковой структуры. Задача прецизионного совмещения блокирующего и инжектирующего р- -п-переходов была нами решена подбором селективных свойств осаждения эпитаксиальных слоев на плоскостях различной кристаллографической ориентации и подбором технологических условий епитаксиального выращивания блокирующих слоев 1пР. В случае точного совмещения р-п-переходов токи утечки в изготовленных гетеролазерах не превышали ~0.2-г0.5 мА, что практически не оказывало влияния на- их параметры. Наряду с устранением паразитных токовых утечек при разработке технологии изготовления мощных одномодовых зарощенных 1п0аАяГ/1пР РО ДГ лазеров гаобхо.шло было исключить влияние каналов безызлучательной рекомбинации в приловерхостной области мезаполосков, приводящих к снижению внешнего квантовог выхода и возрастанию пороговой плогносги тока в лазерных диодах с №<5 мкм. Причиной их возникновения является разогрев пазовой мезаполосковой лазерной гетероструктуры до температуры "'66и°С в процессе осаждения блокирующих слоез. Устранить влияние возникающих центров безизлучателъной рекомбинации удалось с помощью стравливания в недосыщенном металлическом расплаве Тп-Са-Аэ поверхностного слоя мезаполоска толщиной 0.1+0.3 мкм,

нарушенного при термической обработке. В атом случае величина квантового выхода выращенных гетеролазеров сохранялась постоянной независимо от ширины IV их активной области.

Во втором параграфе нредставлени результаты расчетов основных конструктивных параметров зарощенных мезаполосковых 1пСаАэР/1пР РО ДГ лазеров, влияющих на их устойчивую рабо у в о.дномодовом режиме генерации. Отмечается, что в гетеролазерах раздельного ограничения модовый состав излучения, в основном, определяется параметрами сечения прямоугольного пятислойного диэлектрического волновода. Проводенные расчеты позволили выделить основные параметры волновода зарощенных 1п0аАзР/1пР РО ДГ лазеров, дающих возможность значительно увеличить в них ширину мезаполоска и, как следствие этого, максимальную мощность оптического излучения (Ршх) при сохранении одномодового режима генерации. К этим параметрам относятся: толщина волноводных слоев йв, показатель преломления волновода пв и показатель преломления блокирующих слоев Пд. Поскольку изменение показателя преломления волноводных слоев пв по физическому смыслу аналогично изменению йд, а изменение показателя преломления блокирующих слоев п3 оказалось осложнено рядом технологических проблем, основное внимание нами было уделено изучению возможности увеличения VI за счет уменьшения толщины волновода (1В в мезаполосковых зарощенных 1пСаАзР/1пР (х=1.15+1.б5 мкм) РО ДГ лазерах. Проведенные расчеты показали, то уменьшение с^ до 0.1 мкм позволяет увеличить ширину полоска И в ?+2.5 раза при сохранении устойчивого режима одномодовой генерации, что может дать ощутимый выигрыш в максимальной мошности оптического излучения. Однако, следует отметить, что с уменьшением толщины волновода происходит снижение оптического ограничения в плоскости, перпендикулярной плоскости эпатаксиальных слоев, что приводит к возрастагшю пороговой плотности тока в лазерных диодах. Поэтому реальное значение йд, до которого целесообразно изменение толщины волновода, возможно определить только из экспериментов.

Третий параграф посвящен экспериментальным исследованиям условий генерации нулевой поперечной моды в мезаполосковых зарощенных ТгйаАзРЛпР лазерах раздельного ограничения с 'тонким волноводом. Отмечается, что реального увеличения ширины полоска V в мезаполосковых зарощенных ХпОаАяР/ТпР РО ДГ лазерах при

сохранении устойчивого, одномодового режима работы во всем дианьзоне токов накачки возможно добиться только при уменьшен?«! суммарной толщины их волноводных слоев до 0.2 мкм и менее. Однако, уменьшение с^ до величин, меньших 0.2 мкм, привело к резкому возрастанию пороговой плотности тока в исходной лазерной гетероструктуре за счет снижения оптического- ограничения в плоскости, перпендикулярной плоскости эпитаксиальннх слоев, и, как следствие этого, к значительному увеличению абсолютных значений порогового и рабочего токов в изготовленных лазерных диодах, что крайне нежелательно с точки зрения практического применения. Поэтому толщина волновода базовой гетероструктуры для . создания мощных одаомодовых мезаполосковых заращенных 1пСаАзР/1пР РО ДГ лазеров была выбрана равной <^«0.22+0.25 мкм, что позволило увеличить щиршу полоска V/ таких лазерных диодов в 1.5+2 раза, по сравнению с традиционными одномодовыми ДГС лазерами. При этом пороговая плотность тока в' четырехсколотых образцах с длиной волны излучения х=1.3 мкм составляла 250+350 А/см2, что позволило получить 1П0р~1О35 мА в реальных лазерных диодах. При этом ширина мезаполоска составляла й'=3.5 мкм, а максимальная мощность оптического излучения (Ртах) была увеличила практически в два раза. Для лазерных диодов, излучающих на да ю волны 1.55 мкм, уменьшение й^ привело к увеличению ширины мезаполоска только до 2.5 мкм, при сохранении устойчивого одномодового режима генерации, поскольку величина эффективного показателя преломления волновода не позволила получать большего увеличения № при

не более, чем двухкратном увеличении ¿Тор- Тем не менеэ, это позволило нам увеличить примерно, в 1.5 раза максимальную мощность оптического излучения в таких гетеролазерах. Исходя из результатов расчетов, казалось, что лазерные диоды с длиной волны излучения х=1.18 мкм обладают наилучшими возможностями для получения максимальнрго значения Ш. Однако на практике из-за того, что толщина активной области лазерной гетероструктуры должна быть ~500 А д.-я получения оптимальной пороговой плотности тока, такое значительное уменьшение толщнкн волновода (Уво0.22 шя) оказалось не целесообразным. В таких ль^ернях диодах величина составляла 0.35 мкм, а ширина мезаполоска была иэмл увеличена до 4.5 мкм при сохранении устойчивого одномодового режима генерации, что позволило увеличить Ргшх в 1.5 таза.

В четвертом параграфе приводятся результаты исследований излучательных характеристик мощных одномодовых мезаполосковых зарощенных М5аАаР/1пР - гетеролазеров раздельного ограничения. Отмечается, что особенностью таких лазерных диодов является низкое значение внутренних оптических потерь ^щ^р- Именно малостью аШуТр и объясняются наблюдаемые отличия характеристик одномодовых мезаполосковых зарощенных гетеролазеров раздельного ограничения от характеристик лазерных диодов, созданных на основе традиционных ДГС. Показано, что пороговая плотность тока в 1пСаАзР/11ь (\=1.3 мкм) гетеролазерах РО с большими длинами резонаторов значительно ниже, чем в традиционных ДГС лазерах. Это объясняется резким уменьшением оптических потерь на выход с увеличением длины резонатора Ь в тг,лих лазерных диодах при практически неизменных внутренних оптических потерях, связанных с рассеянием на свободных носителях. Значительно более быстрое возрастание пороговой плотности тока в коротких гетеролазерах РО, по сравнению с ДГС лазерами, связано с увеличением скорости безызлучательной еже-рекомбинации за счет роста пороговой концентрации неравновесных носителей в тонкой активной области. Отмечается, что дифференциальная квантовая эффективность (ю^) в гетеролазерах раздольного ограничения (х=1.3 мкм) имеет ряд характерных особенностей. Во-первых, уменьшение в области больших длин резонатора лазерных диодов, возникающее вследствие снижения оптических потерь на выход, происходит при 1ЛТООИООО мкм, что в 3+4 раза больше, чем в традиционных ДГС лазерах. Это объясняется тем, что внутренние оптические потери е 1пС.аАзР/1пР РО ДГ лазерах в несколько раз ниже, чем в лазерных диодах на основа ДГС. Во-втсрых, снижение наблюдается и при малых длинах ' резонатора лазерных диодов. Это происходит из-за резкого возрастания внутренних оптических потерь, связанных с рассеянием иа свободных носителях и с поглощением на переходах между подзонами валентной зоны. Максимальное значение п^бВХ достигнуто в полупроводниковых лазерах раздельного ограничения с длиной волны излучения .3 мкм. Увеличение пороговой плотности тока и снижение дифференциальной квантовой эффективности в мезаполосковых зарощенных 1пСаАэРЛпР (х=1.55 мкм) РО ДГ лазерах, связано с возрастанием скорости оке-рекомбинации и увеличением поглощения на переходах в епкнорбитально отщепленную валентную

- 13 - •

подзону. Невысокое значение т?^ и сильная зависимость от

длины резонатора в лазерных диодах раздельного ограничения с тонкой активной областью, излучающих на длине волны х=1.18 мкм, объясняется выбросом носителей из п-активной области в р-эммитер, приводящим к возрастанию °"ВНуТр и снижению внутреннего квантового выхода стимулированного излучения. Проведенные исследования позволили решить проблему выбора длины резонатора одномодовых мезаполосковых зарощенных 1пСаАэР/1пР РО ДГ лазеров, оптимальной с точки зрения создания высокоэффективных излучающих приборов повышенной мощности. Максимальные мощности оптического излучения полученных лазерных диодов в непрерывном режиме генерации (1;=20 °С) составляли 155 мВт, 250 мВт и 90 мВт на длинах волн 1.18 мкм, 1.3 мкм и 1.55 мкм, соответственно, и в настоящее время являются рекордными. Исследования спектральных характеристик 1пСаАзР/1пР РО ДГ лазеров выявили особенности их поведения для лазеров раздельного ограничения с тонкими активными областями. В мезаполосковых зарощенных 1пСаАэР/1пР РО ДГ лазерах генерация возникает на одной продольной моде и далее, с увеличением тока накачки, спектр излучения расширяется как в длинноволновую, так и в коротковолновую области. При больших уровнях возбувдения наступает стабилизация смещения спектра излучения в длинноволновую область, причем эта стабилизация происходит на близких длинах волн как в длинных, так и в коротких лазерных диодах. Длина волны возникновения спектра генерации (х0) имеет резкую зависимость от длины резонатора полупроводникового лазера, обусловленную возрастанием оптических потерь на выход и возрастанием пороговой концентрации неравновесных носителе заряда с уменьшением Ь.

В пятом параграфе приведены результаты исследований влияния температуры на параметры мощных одномодовых мезаполосковых зарощенных 1пСьАзР/1пР гетеролазеров раздельного ограничения. Отмечается, что в таких лазерных диодах величина параметра Т0 меньше, чем в ДТП лазерах с толстой активной областью. Максимальное значение Т0 - достигается при максимальных длинах лазерного резонатора (Ь). В длинноволновых и коротковолновых лазерах РО влияние эффектов оже-рекомбинации и теплового выброса Носителей снижает значение Т0 по сравнению с лазерами, излучающими, с х=1.3 мкм. Увеличение Ь приводит к снижении

- н -

теплового сопротивления Н^ и увеличению максимальной мощности излучения лазерных диодов. Снижение температуры лазерного тешюотвода до -20 °С позволяет достичь рекордных значений максимальной мощности излучения 260 мВт, 335 мВт, 170 мВт в одномодовых мезэполосковых зароненных 1пСаАзР/1пР РО ДГ лазерах с х=1.18 мкм, 1.3 мкм, 1.55 мкм в непрерывном режиме генерации.

Шестой параграф посвящен исследованию срока службы мощных одномодовых мезаполосковых зарощенных 1пйаАаР/1пР-гетеролазеров раздельного ограничения. Отмечается, что разработанные и созданные мощные одномодовыэ мезаполосковые зароненные 1пСаАаР/1пР - гетеролазеры раздельного ограничения обеспечивают надежное функционирование в течение 50.000 часов при рекордных, на сегодняшний день, мощностях оптического излучения, равных половине их максимального значения (Ртах), что для лучших образцов с длиной волны генерации х=1.18; 1.3 и 1.55 мкм составляет 80 мВт; 125 мВт и 45 мВт, соответственно.

В третьей главе приводятся результаты исследований по согласованию мощных одномодовых зарсщэнных 1пСаАзР/1пР РО ДГ лазеров с одномодовым оптическим волокном и результаты исследований основных параметров разработанных

волоконно-оптических модулей на Сазе таких лазерных диодов.

В первом параграфе исследована возможность эффективного согласования одномодовых зарсщвннвх РО ДГ лазеров повышенной мощности с одномодовым оптическим волокном. Отмечается, что для ввода излучения в одаомодовый световод была выбрана схема согласования при помощи фокона, как наиболее просто реализуемая и обладающая хорошей эффективностью ввода (у) при малом уровне отражения излучения обратно в лазерный диод. В проведенных исследованиях радиус микролинзы, формируемой на конце фокона, варьировался в пределах 8+30 мкм. Установлено, что с уменьшением радиуса микролинзы эффективность ввода (п). увеличивается, но лишь до определенной величины (Н«10 мкм,. Максимальный коэффициент ввода излучения составлял 52%. Дальнейшее увеличение коэффициента зводо ограничивалось асчыметричностыз дальнего поля лазеров и потерями на аберации и отражение в волоконной линзе. Исследования коэффициента ввода излучения (») от точности позиционирования Фокона относительно излучяющзй площадки полупроводникового лазера

показали, что наиболее критичной является юстировка поперек оптической оси системы полупроводниковый лазер - оптическое волокно, где отклонение вершины волоконной микролинзы всего :1а 1 мкм приводит к уменьшению эффективности ввода до 2025%. Поэтому для обеспечения максимального коэффициента ввода излучения необходимо при тзстировке к закреплении одномодового световода выдерживать поперечный допуск в ределах от ±0.3 до ±0.5 мкм. Юстировка волоконного световода вдоль оптической оси является менее критичной и в этом направлении допуск разъюстировки примерно равен ±5 мкм.

Во втором параграфе описана конструкция разработанного передающего оптического модуля повышенной мощности для дальних волоконно-оптических линий связи и приведены результаты исследований основных параметров таких волоконно-оптических модулей на базе мощных одномодовых' 1пСаАБ?/1пР-гетеролазеров раздельного ограничения с длинами волн излучения х=1.3 мкм ч .55 мкм. При разработке лазерного модуля с одномодовим оптическим волокном для достижения высокого коэффициента ввода излучения и обеспечения необходимых котировочных допусков, крепление металлизированного волоконного световода ' после прецизионной юстировки относительно лазерного диода осуществлялось оловянно-свинцовым припоем, ' нагрев которого обеспечивался микропечью, изготовленной на ситаловой подложке и расположенной в непосредственной близости от полупроводникового лазера. Помимо лазерного диода и узла крепления оптического волокна, модуль содержит германиевый фотодиод обратной связи, микротермосопротивление и полупроводниковый микрохолодильник дл. поддержания постоянной температуры лазерного дао/,а при из' энелмл температуры окружающей среды. Защита от воздействия внешней атмосферы всех узлов и креплений оптического модуля обеспечивалась герметичным медным корпусом, сборка котошго проводилась с помощью лазерной сварки. Такая компановка передающего лазерного модуля позволила добиться высокой стабильности излучаемой из волокна мощности ("5%) с диапазона Бнеганлх температур -40++55 °С. Коэффициент ввод излучетя и одномодовоо оптическое волокно д.; 1 полностью со;'ра;-шого модуля пселе всех технологических операций сосгакягл к средн.-м 35*?, что обеспечивает ла выходе волокна мак.симальну" епткчеекуп мпх-ноегь

(х=1.3 мкм) 50 мВт СЧЯ и 18 мВт СИ (х=1.55 мкм). Исходя из деградационных свойств применяемых полупроводниковых лазеров, рабочая мощность излучения волоконно-оптического модуля выбирается равной половина максимальной излучаемой мощности и составляет 25 мВт и 9 мВт, соответственно, на длинах волн 1.3 и 1.55 мкм. Такой выбор ремиз работы позеолил добиться прогнозируемого срока службы оптических модулей, превышающего 50.000 часов при высоких мощностях излучения.

В заключении диссертации сформулированы основные результаты работы:

1. Разраоитаны способы контроля надежности технологии заращивания

- ■ мезаполосковых лазерных гетероструктур и решены технологические аспекты изготовления высокоэффективных узких мезаполосковых заро1 иных ШЗаАзРЛпР-лазеров раздельного ограничения.

2. Проведены расчет, анализ и экспериментальные исследования факторов («^пор' "с!' "* • влияющих на увеличение максимальной мощности оптического излучения одномодовых мезаполосковых зарощенных 1пСаАзР/1пР РО ДГ лазеров. Показано, что ум ньыение толщины волноъодннх слоев (с!в) до величины ~0.2 мкм позволяет увеличить ширину мезаполоска № таких лазерных диодов в 2 2.5 раза, а максимальную мощность оптического излучения (Ртах) в 1.5+2 раза при сохранении устойчивого режима одномо-довой генерации.

3. В результате проведенных исследований излучательных характеристик одном довых мезаполосковых зароще-чшх 1пиаАзР/1пР РО ДР лазеров были разработаны и изготовлены лазерные диоды с рикордными мощностями оптического излучения в непрерывном режиме генерации: 155 мВт, 250 мВт и ЭО мВт на длинах волн 1.'8 мкм, 1.3 мкм и 1.55 мкм,соответственно.

Падение дифференциальной квантовой эффекташности и сверхлинейное возрастать пороговой плотности тока при уменьшении длины резонатора лазерных диодов в системе 1пСаАзР/1пР обусловлено возрастанием внутренних оптических потерь и увеличением ско-, ростк безизлуптельной рекомбинации.

Б. Установлено, что увеличение длины резонатора лазерных диодов. 11а базе гетероструктур раздельного ограничения приводит к сни-хонию теплового сопротивления до величины Н^<5°/Вг и получению

максимального для PO ДГС значения параметра TQ, характеризующего ход температурной зависимости пороговой плотности тока.

6. Ускоренные испытания при повышенны, температурах (70°С) показали, что прогнозируемый срок службы при повкшенных мощностях излучения Роит^иах/2 в одномодовых мезаполосковых зарощенны;; InGaAsP/InP PO ДГ лазерах может достигать 50.000 часов при комнатной температуре.

7. Установлены оптимальные условия согласования мощных одномодовых мезаполосковых зарощенных InGaAaP/InP PO ДГ лазеров с одномодовым оптическим волокном при помощи фокона с максимальным коэффициентом ввода излучения '¿0%.

8. На базе изготовленных мощных одномодовых лазерных диодов разработаны и созданы волоконно-оптические модули с мощностью оптического излучения 50 мВт и 18 мВт в непрерывном режиме генерации на длинах волн 1.3 мкм и 1.55 мкм,соответственно.

Содержание диссертационной работы с достаточной полнотой

отражено в следующих научных публикациях:

1.- Гарбузов Д.З., Зайцев С.В., Ильин Ю.В., Налет Т.А., Тарасов И.О., Овчинников A.B., "Влияние диэлектрических зеркал на зарощенных InGaAsP/In? (х=1.3 мкм) лазеров раздельного ограничения"// Материалы I Всесоюзной конференции по физическим основам твердотельной электроники, Ленинград, 1989.

2. Гарбузов Д.З., Зайцев С.В., Ильин Ю.В., Налет Т.А., Тарасов И.О., Овчинников A.B., "Зависимость от потерь на выход пороговой плотности тока и ди<йеренциальной эффективности ро ДГС InGaAsP/In? (х=1.3 мкм) лазеров"// Письма в ЖГФ, 1930 т.16, N°9, стр.50-54.

3. Гарбузов Д.З., Ильин Ю.В., Кочеров Д.А., Овчинников A.B., Солодков А.Ф., Тарасов К.С., Шелков К.В., Якубович С.А., "Мощные инфекционные РО ДГС 1пСаАзР/ТпР лазеры со сверхтонким активным слоем для оптической связи"// Мат^ризда I Всесоюзной конференции "Физ. -гаские проблемы олпгчэской связи Севастополь, 1990, стр.33.

4. Гарбузов Д.З., Берииев Н.Э., Ильин Ю.В., И.~\кнская Н.Д., Пи*тик H.A., Овчинников A.B. Тарасов И.О., "Зарощчняые одномедовые непрерывные InGaAsP/InT лазеры раздельного ограничения (>-.=1.3 мкм)"// Письма е ЖГФ, 1991, т.IV, №6, стр.'г.

5. Garbuzov D.Z., Berlshev I.E, Ilyln Yu.V., Il'lnskaya N.D., Ovchinnlkov A.V., Plkhtln N.A., Tarasov I.S., "High-Power Single Mode Operation of Buried Quantum-Well Separate Confinement, InGaAsP/InP (x-i .3 да) Lasers"// Proc of First International Soviet Fiber Optics Conference (ISIOC'91), USSR, Leningrad, 1991, v.1, pp. 136-139.

5. Гарбузор Д.З., "пьин Ю.В., КочеровД.А., Овчинников А.В., Солодков А.Ф., Тарасов И.О., Шелков Н.В., Якубович С.А., "Прямая амплитудная модуляция излучения ДГС InGaAsP/InP лазеров (х-1.3мкм) с раздельным ограничением"// Квантовая электроника, 1991, т.18, N°3, стр.281-285.

Т. Гарбузов Д.З., БеришевИ.Э., Ильин Ю.В., Ильинская Н.Д., ПихтинН.А., Овчинников А.В, Тарасов И.О., Рассудов Н.Л., "Совершенствование процесса взращивания и получение одномодо-вых зароцэняых InGaAsP/InP (х=1.3 мкм) лазеров с мощностью излучения 160 мВт"// ФГП, 1991, т.25, N°8, стр.1414-1418.

8. Garbuzov D.Z., Berlahev I.E., Ilyln Yu.V., Il'lnskaya N.D., Ovchinnlkov A.V., Plkhtln M.A, Tarasov I.S., "High-power burled heterostructure InGaAsiVIriP laser diodes produced by an Improved re/growth. process"// Journal of Applied Physics, 1992, у.72, No. , pp.319-321.

Ы. Triionov a.S. , Urlh K.I., Garbuzov D.Z., Gorbachev A.Yu., Ilyln Yu.V., Tarasov I.S., "Noise Characteristics of Semiconductor Lasers with Different Spectrum of longitudinal Modes"// Proc of Second International Russian Fiber Optics and Telecommunication Conference (ISFOC'92), 1992, St.Petersburg, Russia, pp.206-209.

10. Garbuzov E.Z., Berlshev I.E., Ilyln Yu.V., Saullch А.1., Il'lnskaya K.D., Rassudov N.L., Tarasov I.S., "Powerfull Contlnuos-Wave InGaAsP/InP lasers for FOC"// Proc. of Second International Russian Fiber Optics and Telecommunication Conference (ISFOO'92), 1992, St.Petersburg, Russia, pp.142.

Я. Garbuzov P.Z., Berlshev I.E., ilyln Yu.V, Gorbachev A.Y., 1 'lnskaya N.D., Rasjudor N.L, Tarasov I.S., Saullch .1, "Powerful1 Manomode Optical Unit for FOC"// Proc. of Second Internal-1 nnal Russian Fiber Optics and Telecommunication Conference (J3F0C 92), 1992, St.Petersburg, Russia, pp.'46.