Инжекционные полупроводниковые лазеры со спектрально-селективными потерями и спектрально-зависимым фактором оптического ограничения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, кандидат физико-математических наук Паюсов, Алексей Сергеевич

• Паюсов, Алексей Сергеевич
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Паюсов, Алексей Сергеевич

Введение.

Глава 1.Обзор литературы.

1.1 Спектры лазерной генерации и их зависимость от температуры.

1.2 Стабилизация длины волны торцевых полупроводниковых лазеров.

1.2.1 Лазеры с распределенной обратной связью.

1.2.2 Лазеры с распределенный брэгговским отражателем.

1.2.3 Лазеры с внешним резонатором.

1.2.4 Лазеры на основе квантовых точек с улучшенной температурной стабильностью длины волны излучения.

1.2.5 Вертикально-излучающие лазеры.

Глава 2.Описание образцов и методик измерений.

2.1 Подготовка образцов к исследованиям.

2.2 Установка для измерения вольт-амперных и ватт-амперных характеристик полупроводниковых лазеров.

2.3 Установка для исследования дальнего поля полупроводниковых лазеров

2.4 Установка для исследования спектров лазерной генерации.

Глава 3.Лазеры с туннельно-связанными резонаторами.

3.1 Лазеры на «вытекающей» моде.

3.2 Температурная стабилизация длины волны в лазерах с туннельно-связанными волноводами.

3.3 Экспериментальное исследование торцевых лазеров диапазона 980 нм с туннельно-связанными волноводами с подложкой в качестве второго волновода.

3.4 Экспериментальное исследование торцевых лазеров диапазона 980 нм с туннельно-связанными волноводами с толстыми слоем в качестве второго волновода.

Глава 4.Лазеры со спектрально-селективными потерями.

4.1 Концепция лазеров со спектрально-селективными потерями.

4.2 Экспериментальное исследование лазеров со спектрально-селективными потерями диапазона 980 нм.

4.3 Экспериментальное исследование лазеров на квантовых точках со спектрально-селективными потерями диапазона 1300 нм.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Инжекционные полупроводниковые лазеры со спектрально-селективными потерями и спектрально-зависимым фактором оптического ограничения»

Полупроводниковые лазеры, обладающие высокой температурной стабильностью параметров лазерной генерации, в частности, длины волны, необходимы для широкого набора применений. Среди них можно отметить системы накачки твердотельных лазеров и усилителей, где необходимо возбуждать активную среду с узкой линией поглощения [1]. Также полупроводниковые лазеры находят все более широкое применение в медицине. В медицинских применениях длина волны лазера очень важна, поскольку она должна соответствовать узким линиям поглощения живых тканей или вводимого маркера. Отклонение рабочей температуры лазера от заданной всего на несколько градусов может вызвать рассогласование длины волны излучения прибора и спектра поглощения среды, приводя к значительному падению эффективности твердотельного лазера с диодной накачкой или воздействия излучения на организм. Кроме того, стабилизация длины волны важна в системах передачи данных, в частности, в системах, имеющих спектральное уплотнение [2].

Недостаток традиционных торцевых лазеров заключается в том,, что длина волны лазерной генерации не стабилизирована и смещается в сторону больших длин волн по мере увеличения температуры прибора. Это вызвано изменением ширины запрещенной зоны полупроводника с температурой. Чтобы обеспечить температурно-стабильную работу полупроводникового лазера по длине волны можно использовать различные подходы. Сегодня широко применяются внешние системы стабилизации температуры, которые входят в состав готовых устройств, усложняя конструкцию и снижая коэффициент полезного действия. Другим подходом является разработка конструкций лазеров, в которых длины волны стабилизирована по температуре, а ее изменение следует слабой температурной зависимости показателей преломления материалов, составляющих лазерную гетероструктуру. Это позволяет в некоторых случаях отказаться от внешних стабилизаторов температуры, сделать конструкцию приборов проще и надежней.

Среди приборов с температурно-стабилизированной длиной волны нужно выделить лазеры с распределенной обратной связью (РОС-лазеры) [3,4]. Их основным преимуществом является одночастотный режим генерации. В лазерах этого типа продемонстрирован температурный сдвиг длины волны лазерной генерации на уровне 0.08—0.1 нмК"1. Однако, РОС-лазеры достаточно дороги, что обусловлено сложной технологией изготовления. Также они зачастую не обеспечивают высокую оптическую мощность излучения.

Реализацией другого подхода являются вертикально-излучающие лазеры, которые также обеспечивают уменьшенный температурный сдвиг длины волны лазерной генерации. Для приборов спектрального диапазона 980 нм на основе квантовых ям ОаГпАБ/ОаАз температурный сдвиг обычно составляет 0.06-0.08 нмК'1 [5]. Главным недостатком лазеров этого типа для упомянутых выше применений является их малая выходная оптическая мощность.

Таким образом, поиск новых подходов для создания мощных (>100 мВт) полупроводниковых лазеров с высокой температурной стабильностью длины волны излучения является весьма актуальной задачей.

Основной целью настоящей работы являлось исследование особенностей лазерной генерации в инжекционных торцевых полупроводниковых лазерах, излучающих в диапазоне 980-1300 нм, со спектрально-селективными потерями и спектрально-зависимым фактором оптического ограничения.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• Впервые исследованы характеристики торцевых инжекционных лазеров нового типа на основе системы двух связанных волноводов.

• Показано, что в торцевых лазерах на основе туннельно-связанных волноводов можно управлять температурной зависимостью порогового тока.

• Впервые исследованы основные характеристики торцевых инжекционных лазеров нового типа со спектрально-селективными потерями.

• Продемонстрирована возможность получения одночастотной генерации торцевого лазера с планарным многослойным интерференционным отражателем в составе волновода.

• Для лазеров со спектрально-селективными потерями и с туннельно-связанными волноводами продемонстрирована повышенная, по сравнению с обычными торцевыми лазерами, температурная стабильность длины волны генерации.

Практическая значимость работы:

• Лазеры с туннельно-связанными волноводами являются перспективными источниками мощного лазерного излучения с низкой расходимостью пучка (~1°). Они могут найти широкое применение в системах накачки твердотельных лазеров, лазерной обработке материалов и других областях.

• Лазеры со спектрально-селективными потерями перспективны для использования в системах связи, медицине и других областях, где требуется излучение высокой степени монохроматичности и большой оптической мощности.

Положения, выносимые на защиту:

1. В торцевых инжекционных лазерах на основе туннельно-связанных планарных волноводов температурная зависимость длины волны генерации определяется температурной зависимостью показателей преломления слоев, формирующих волновод.

2. Спектральное рассогласование усиления и оптической моды в торцевых лазерах с туннельно-связанными планарными волноводами позволяет управлять температурной зависимостью порогового тока.

3. Введение спектрально-селективных потерь за счет использования планарного многослойного интерференционного отражателя в волноводе торцевого инжекционного лазера позволяет увеличить температурную стабильность длины волны излучения и получить одночастотную лазерную генерацию.

Апробация работы

Основные результаты докладывались:

• на 10-й Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и наноструктур, опто- и наноэлектронике, 1-5 декабря 2008 г., Санкт-Петербург, Россия;

• на XIV международной конференции «ОПТИКА ЛАЗЕРОВ - 2010», 28 июня - 2 июля 2010 г., Санкт-Петербург;

• на Конференции по физике и астрономии для молодых ученых Санкт-Петербурга и Северо-Запада «ФизикА», 27-28 октября 2010 г., Санкт-Петербург;

• на Всероссийском симпозиуме «Полупроводниковые лазеры: физика и технология», 10-12 ноября 2010 г., Санкт-Петербург; а также на научных семинарах Санкт-Петербургского Академического университета - научно-образовательного центра нанотехнологий РАН и Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе.

Публикации. Основные результаты изложены в 7 печатных работах, в том числе, в 5 научных статьях и в 2 материалах конференций.

Заключение диссертации по теме «Физика полупроводников», Паюсов, Алексей Сергеевич

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. I. I. Novikov, Yu. М. Shernyakov, М. V. Maximov, N. Yu. Gordeev, N. A. Kaluzhniy, S. A. Mintairov, V. M. Lantratov, A. S. Payusov, V. A. Shchukin and N. N. Ledentsov. Wavelength-stabilized tilted wave lasers with a narrow vertical beam divergence. // Semiconductor Science and Technology, 23 075043 (2008)

2. N. Yu. Gordeev, I. I. Novikov, A. V. Chunareva, N. D. Il'inskaya, Yu. M. Shernyakov, M. V. Maximov, A. S. Payusov, N. A. Kalyuzhniy, S. A. Mintairov, V. M. Lantratov, V. A. Shchukin and N. N. Ledentsov. Edge-emitting InGaAs/GaAs laser with high temperature stability of wavelenght and threshold current. // Semiconductor Science and Technology, 25 045003 (2010)

3. А. В. Савельев, И. И. Новиков, А. В. Чунарева, Н. Ю. Гордеев, М. В. Максимов, А. С. Паюсов, Е. М. Аракчеева, В. А. Щукин, Н. Н. Леденцов. Температурно-стабильный полупроводниковый лазер на основе составных волноводов. // Физика и техника полупроводников, 45(4) 560-565 (2011).

4. А.С. Паюсов, М.В. Максимов, «Инжекционные лазеры на квантовых точках с высоким оптическим усилением и длиной волны излучения более 1300», 10я Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, опто- и наноэлектронике 1-5 декабря 2008, Санкт-Петербург//тезисы докладов 114 (2008)

5. М. V. Maximov, V. М. Ustinov, А. Е. Zhukov, N. V. Kryzhanovskaya, A. S. Payusov, 1.1. Novikov, N. Yu. Gordeev, Yu. M. Shernyakov, I. Krestnikov, D. Livshits, S. Mikhrin and A. Kovsh. A 1.33 цт InAs/GaAs quantum dot laser with a 46 cm-1 modal gain // Semiconductor Science and Technology, 23 105004 (2008)

6. JI. Я. Карачинский, И. И. Новиков, Ю. М. Шерняков, Н. Ю. Гордеев, А.

С. Паюсов, М. В. Максимов, С. С. Михрин, М. Б. Лифшиц, В. А. Щукин, П. С. Копьев, Н. Н. Леденцов, Д. Бимберг. Полупроводниковые лазеры спектрального диапазона 1.3 мкм на квантовых точках с высокой температурной стабильностью длины волны лазерной генерации (0.2 нмК"1) // Физика и техника полупроводников, 43(5) 708 (2009)

7. A.C. Паюсов, Л.Я. Карачинский, И.И. Новиков, Ю.М. Шерняков, Н.Ю. Гордеев, М.В. Максимов, С.С. Михрин, М.Б. Лифшиц, В.А. Щукин,

H.H. Леденцов, «Полупроводниковые лазеры спектрального диапазона

I.3 мкм на квантовых точках с высокой температурной стабильностью длины волны лазерной генерации», Конференция по физике и астрономии для молодых ученых Санкт-Петербурга и Северо-Запада «ФизикА» 27-28 октября 2010г Санкт-Петербург // тезисы докладов стр. 77 (2010)

Здесь я хочу выразить благодарность своим руководителям, коллегам и друзьям за их неоценимую помощь и поддержку в моей работе.

Во-первых, я благодарю своего научного руководителя, д.ф.-м.н. Михаила Викторовича Максимова, а так же к.ф.-м.н. Никиту Юрьевича Гордеева за отличную организацию моей научной работы.

Я признателен своим коллегам, с которыми было очень приятно работать и у которых я многому научился: Леониду Карачинскому, Иннокентию Новикову, Юрию Шернякову, Артему Савельеву, Виталию Щукину, Николаю Леденцову, Сергею Блохину, Наталье Крыжановской, Алексею Сахарову, Андрею Гладышеву, Олегу Румянцеву, Дитеру Бимбергу.

Я благодарю Алексея Ковша, Сергея Михрина, Сергея Минтаирова, Николая Калюжного, Владимира Лантратова, Наталью Ильинскую и Алену Чунареву за их помощь в подготовке образцов для исследорваний.

Я благодарю заведующего лабораторией нанофотоники Академического университета — научно-образовательного центра нанотехнологий чл.-корр. РАН Алексея Евгеньевича Жукова, а также заведующего лабораторией физики полупроводниковых гетероструктур Физико-Технического института им. А.Ф. Иоффе чл.-корр. РАН Виктора Михайловича Устинова.

Также мне хочется сказать слова благодарности своим друзьям Роману Харитонову, Маргарите Бамбуровой, Алексею Вороне, Снежане Вороне и Матвею Пашковскому. Отдельно благодарю моего друга и коллегу Алексея Надточего.

В заключение, благодарю своих родителей и сестру за их постоянную помощь и поддержку.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Паюсов, Алексей Сергеевич, 2011 год

1. Е.М. Pavelescu, J.P. Reithmaier, W. Kaiser, P. Weinmann, M. Kamp, and A. Forchel. Wavelength stabilized quantum dot lasers for high power applications // Physica Status Solidi B, 246(4) 872 (2009)

2. Stamatios Kartalopoulos. Introduction to Dwdm Technology: Data in a Rainbow. Wiley-Interscience, N.Y. (2000)

3. H. Kogelnik and С. V. Shank. Stimulated Emission in Periodic Structure //Applied Physics Letters, 18(4) 152 (1971)

4. Ж.И. Алфёров, B.M. Андреев, Р.Ф. Казаринов, E.JI. Портной, P.A. Сурис // авторское свидетельство №392875, заявка №1677436 с приоритетом от 19 июля 1971 г.

5. G.P. Agrawal. Semiconductor Lasers: Past, Present and Future. AIP Press (1995)

6. О. Звелто. Принципы лазеров. Москва "Мир" Зе издание (1990)

7. X. Кейси, М. Паниш. Лазеры на гетероструктурах. Москва "Мир" (1981)

8. A.L. Shawlow, С.Н. Townes. Infrared and Optical Masers // Physics Review, 112(6) 1940 (1958)

9. М. Fukuda. Optical Semiconductor Devices. John Wiley & Sons (1999)

10. I. Vurgaftman, J.R. Meyer, L.R. Ram-Mohan. Band parametrs for III-V compound semiconductors and their alloys // Journal of Appl. Phys., 89(11) 5815 (2001)

11. D. R. Scifres, R. D. Burnham, and W. Streifer. Distributed-feedback single heterojunction GaAs diode laser //Applied Physics Letters, 25(4) 203 (1974)

12. Robert G. Hunsperger. Integrated Optics: Theory and Technology. Springer New York (2009)

13. Yasuyuki Takasuka, Yasuhide Tsuji, Kenji Yonei, Hiromi Yamauchi and Mutsuo Ogura. AlGaAsAnGaAs DFB Laser by One-Time Selective MOCVD Growth on a Grating Substrate // Japanese Journal of Applied Physics, 43(4b) 2019 (2004)

14. M. Nakamura, K. Aiki, J. Umeda, A. Yariv. cw operation of distributed-feedback GaAs-GaAlAs diode lasers at temperatures up to 300 К // Applied Physics Letters, 27(4) 403 (1975)

15. K. Aiki, M. Nakamura, J. Umeda. Lasing characteristics of distributed-feedback GaAs-GaAlAs diode lasers with separate optical and carrier confinement // IEEE Journal of Quantum Electronics, QE-12(10) 597 (1976)

16. Shyh Wang. Principles of distributed feedback and distributed Bragg-reflector lasers // IEEE Journal of Quantum Electronics, 10(4) 413 (1974)

17. R K. Reinhart, R. A. Logan, and С. V. Shank. GaAs-AlGaAs injection lasers with distributed Bragg reflectors //Applied Physics Letters, 27(1) 45 (1975)

18. Ж.И. Алфёров, B.M. Андреев, Р.Ф. Казаринов, E.JI. Портной, Р.А. Сурис // Авторское свидетельство №392875, заявка №1677436 с приоритетом от 19 июля 1971

19. Otte Jakob Homan. A GaAs/AlGaAs DBR laser diode with side-coupled Bragg gratings // PhD thesis, University of Groningen The Netherlands (1996)

20. Daniel Hofstetter and Hans P. Zappe. Anomalous longitudinal mode hops in GaAs/AlGaAs distributed Bragg reflector lasers //Applied Physics Letters, 71(2) 1811997)

21. Shun Lien Chuang. Physics of photonic devices. John Wiley and Sons (2009)

22. M. G. Littman and H. J. Metcalf. Spectrally narrow pulsed dye laser without beam expander //Applied Optics, 17(14) 2224 (1978)

23. Karen Liu, Michael G. Littman. Novel geometry for single-mode scanning of tunable lasers // Optics Letters, 6(3) 117-118 (1981)

24. Mills P., Plastow R. Single-mode operation of 1.55 um semiconductor lasers using a volume holographic grating // Electronics Letters, 21(15) 648 (1985)

25. B. L. Volodin, S. V. Dolgy, E. D. Melnik, E. Downs, J. Shaw, V. S. Ban. Wavelength stabilization and spectrum narrowing of high-power multimode laser diodes and arrays by use of volume Bragg gratings // Optics Letters, 29(16) 18911893 (2004)

26. Christophe Moser and Gregory Steckman. Filters to Bragg About // Photonics Spectra, (6) 82 (2005)

27. Steckman G.J., Wenhai Liu, Platz R., Schroeder D., Moser C, Havermeyer F. Volume Holographic Grating Wavelength Stabilized Laser Diodes // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 13(3) 672 (2007)

28. Bernd Kohler, Thomas Brand, Matthias Haag, Jens Biesenbach. Wavelength stabilized high-power diode laser modules \\ Photonics West (2009)

29. George Venus, Leonid Glebov, Vasile Rotar, Vadim Smirnov, Paul Crump and Jason Farmer. Volume Bragg semiconductor lasers with near diffraction limited divergence //Proceedigs of SPIE, 6216(2) 1-7 (2006)

30. D. Bimberg С. Ribbat. Quantum dots: lasers and amplifiers // Microelectronics

31. Journal, 34(12) 323-328 (2003)

32. T. С. Newell, D. J. Bossert, A. Stintz, B. Fuchs, K. J. Malloy, and L. F. Lester. Gain and linewidth enhancementfactor in InAs quantum-dot laser diodes // IEEE Photonics Technology Letters, 11(12) 1527-1529 (1999)

33. Sergey Melnik,Guillaume Huyet, Alexander V. Uskov. The linewidth enhancement factor a of quantum dot semiconductor lasers // Optics Express, 14(7) (2006)

34. А.Е.Жуков, А.Р.Ковш, Е.В.Никитина, В.М.Устинов, Ж.И.Алферов. Инжекционные лазеры с широким спектром генерации на основе самоорганизующихся квантовых точек // Физика и техника полупроводников, 41(5) 625-630 (2007)

35. F. Klopf, S. Deubert, J. P. Reithmaier, and A. Forchel. Correlation between the gain profile and the temperature-induced shiftin wavelength of quantum-dot lasers // Applied Physics Letters, 81(2) 217-219 (2002)

36. F. Klopf, J. P. Reithmaier, and A. Forchel. Highly efficient GaInAs/(Al)GaAs quantum-dot lasers based on a single active layer versus 980 nm high-power quantum-well lasers //Applied Physics Letters, 77(10) 1419-1421 (2000)

37. S. Deubert, R. Debusmann, J.P. Reithmaier and A. Forchel. High-power quantum dot lasers withimproved temperature stability of emissionwavelength for uncooled pump sources // Electronics Letters, 41(20) (2005)

38. B. Tell, K. F. Brown-Goebeler, R. E. Leibenguth, F. M. Baez, and Y. H. Lee. Temperature dependence of GaAs-AlGaAs vertical cavity surface emitting lasers // Applied Physics Letters, 60(6) 683-685 (1991)

39. Jean-François P. Seurin and Shun Lien Chuang. Discrette Bessel transform and beam propogation method for modelling of vertical cavity surface emiting lasers //

40. Journal of Applied Physics, 82(5) 2007-2016 (1997)

41. D. R. Scifres, W. Streifer, and R. D. Burnham. Leaky wave room-temperature double heterostructure GaAs:GaAlAs diode laser //Applied Physics Letters, 23(1) 23 (1976)

42. В.И. Швейкин, А.П. Богатов, A.E. Дракин, Ю.В. Курнявко. Диаграмма направленности излучения квантоворазмерных лазеров InGaAs/GaAs, работающих на "вытекающей" моде // Квантовая электроника, 26(1) 33 (1999)

43. А.П. Богатов, А.Е. Дракин, В.И. Швейкин. Эффективность и распределение интенсивности в полупроводникоавом лазере, работающем на "вытекающей" моде // Квантовая электроника, 26(1) 28 (1999)

44. Н.Б. Звонков, Б.Н. Звонков, А.В. Ершов, Е.А. Ускова, Г.А. Максимов. Полупроводниковые лазеры на длину волны 0,98 мкм с выводом излучения через подложку // Квантовая электроника, 25(7) 622 (1998)

45. Н. Ашкрофт, Н. Мермин. Физика твердого тела. Москва "Мир" (1979)

46. Vitaly A. Shchukin and Nikolai N. Ledentsov. Novel Concepts of Semiconductor Lasers // Optical Engineering, 41(12) 3193 (2002)