Тепловые и оптические характеристики торцевых полупроводниковых лазеров InGaAs/GaAs/AlGaAs на основе связанных волноводов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Бекман Артем Александрович

• Бекман Артем Александрович
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Бекман Артем Александрович

Реферат

Synopsis

Введение

ГЛАВА 1. Аналитический обзор литературы

1.1 Предел выходной оптической мощности современных диодных лазеров

1.1.1 Зависимость выходной мощности от тока

1.1.2 Катастрофическая оптическая деградация

1.1.3. Насыщение мощности

1.2 Отвод тепла от лазерного кристалла

1.2.1 Определение теплового сопротивления лазерного диода

1.2.2 Влияние конструкции лазерной гетероструктуры и монтажа на тепловое сопротивление лазерного диода

1.2.3 Методы измерения теплосопротивления

1.3 Современные конструкции мощных лазерных диодов

1.3.1 Расширенные волноводы

1.3.2 Асимметричные волноводы

1.3.3 Промышленные образцы лазерных диодов

1.4 Конструкция на основе связанных волноводов

ГЛАВА 2. Методы исследования характеристик торцевых лазерных диодов

2.1 Монтаж лазерных диодов

2.2 Первичная характеризация лазерных диодов

2.3 Измерение ватт-амперных характеристик в непрерывном режиме

2.4 Измерение ватт-амперных характеристик в импульсном режиме

2.5 Измерение спектров лазерной генерации

2.6 Измерение спектров с временным разрешением

2.7 Исследование распределения интенсивности в дальнем поле

2.8 Измерение распределения интенсивности в ближнем поле

2.9 Численные расчёты и обработка результатов измерений

ГЛАВА 3. Разработанный метод измерения теплового сопротивления

3.1 Требования к методике

3.2 Измерение теплового сопротивления по спектрам спонтанного излучения

3.3 Описание экспериментальной установки

3.4 Расчёт погрешности измерений

3.5 Выводы по главе

ГЛАВА 4. Исследование характеристик лазеров со связанными вертикальными волноводами

4.1 Новая конструкция волновода

4.2 Описание конструкций исследованных лазеров

4.3 Основные характеристики исследуемых лазеров

4.4 Исследования теплового сопротивления и максимальной мощности в непрерывном режиме

4.5 Исследования максимальной мощности в импульсном режиме

4.6 Выводы по главе

ГЛАВА 5. Использование связанных волноводов для управления латеральными модами

5.1 Описание конструкции волновода, лазерной гетероструктуры и основные характеристики приборов

5.2 Травление гребневого волновода методом СИП

5.3 Управление модовым составом лазера с резонансно связанными латеральными волноводами с помощью травления сфокусированным ионным пучком

5.4 Выводы по главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложение А. Основные публикации по теме диссертационной работы

Реферат

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Тепловые и оптические характеристики торцевых полупроводниковых лазеров InGaAs/GaAs/AlGaAs на основе связанных волноводов»

Актуальность темы исследования

Современные полупроводниковые лазеры являются ключевыми компонентами телекоммуникационного оборудования [1], систем обработки материалов [2] и многих медицинских приборов [3]. Также полупроводниковые лазерные технологии находят широкое практическое применение в авиакосмической отрасли [4], системах навигации беспилотного транспорта [5].

Благодаря развитию технологий производства и улучшению конструкций полупроводниковых лазеров стоимость единицы оптической мощности в диапазоне длин волн 0,9-1,1 мкм за последние десятилетия постоянно снижалась. Дальнейший прогресс связан с увеличением мощности и эффективности одиночного лазера при сохранении его стоимости. К настоящему моменту торцевые лазеры на гетероструктурах InGaAs/GaAs/AlGaAs, излучающие в диапазоне 0,9-1,1 мкм демонстрируют наибольшую эффективность и максимальную мощность среди полупроводниковых лазеров. Это обусловлено тем, что современные технологии эпитаксиального роста позволяют синтезировать гетероструктуры на основе системы материалов InAlGaAs на подложках GaAs с практически совершенным кристаллическим качеством. Ключевым элементом полупроводникового лазера является вертикальный волновод, который формируется в процессе роста лазерной гетероструктуры. Конструкция волновода определяет основные характеристики приборов, такие как плотность порогового тока, дифференциальная эффективность, качество выходного пучка, а также тепловое сопротивление лазерной гетероструктуры, которое определяет эффективность отвода тепла от активной области.

Основными факторами, которые ограничивают максимальную выходную оптическую мощность ЛД в непрерывном режиме, являются: разогрев активной области связанный с протеканием тока через лазер; катастрофическое разрушение лазерных зеркал, связанное с поверхностной безызлучательной рекомбинацией и

высокой плотностью оптической мощности; накопление зарядов в волноводе при высоких плотностях тока, приводящее к увеличению внутренних оптических потерь и, соответственно, снижению дифференциальной эффективности.

Уменьшение влияния факторов, ограничивающих максимальную мощность излучения, возможно за счёт использования расширенных волноводов с утонёнными обкладками и расположения активной области в лазерной гетероструктуре максимально близко к p-эмиттеру. Создание расширенных волноводов, обеспечивающих генерацию на фундаментальной моде, является сложной задачей, поскольку такие волноводы поддерживают лазерную генерацию на модах высокого порядка, что приводит к ухудшению качества выходного пучка. Расположение активной области вблизи слоя p-эмиттера также может способствовать лазерной генерации на модах высокого порядка. Разработанные к настоящему моменту конструкции волноводов, не смотря на отличные характеристики, имеют ряд существенных недостатков, которые проявляются при больших плотностях тока и перегреве лазерного кристалла.

Таким образом, дальнейшее увеличение мощности и эффективности лазерных диодов связано с разработкой новых конструкций волновода, которые позволят уменьшить тепловое сопротивление лазерной гетероструктуры, обеспечить низкие внутренние потери и высокое качество пучка. Поэтому тематика диссертационной работы является актуальной, а решаемые в её рамках задачи представляют значительный научный интерес и имеют важное прикладное значение для развития мощных полупроводниковых лазеров на основе гетероструктур InGaAs/GaAs/AlGaAs.

Целью работы является экспериментальное исследование тепловых и оптических характеристик мощных торцевых полупроводниковых лазеров InGaAs/GaAs/AlGaAs, излучающих в диапазоне длин волн 0,98-1,3 мкм, на основе связанных волноводов.

Для достижения данной цели было необходимо решить следующие задачи:

• Измерить основные характеристики мощных полупроводниковых лазеров диапазона 0,98-1,1 мкм на основе связанных волноводов CLOC (Coupled Large Optical Cavity): плотность порогового тока, дифференциальную эффективность, длину волны лазерной генерации, внутренние потери, внутренний квантовый выход, диаграмму направленности.

• Исследовать максимальную мощность в импульсном режиме работы лазеров на основе связанных волноводов CLOC диапазона 0,98-1,1 мкм.

• Исследовать спектры лазерной генерации на высокой плотности тока в импульсном режиме лазеров на основе связанных волноводов CLOC диапазона 0,98-1,1 мкм.

• Разработать метод измерения теплового сопротивления торцевых полупроводниковых лазеров, позволяющий определять разницу теплового сопротивления лазеров с различными конструкциями волновода.

• Исследовать тепловое сопротивление торцевых полупроводниковых лазеров диапазона 0,98-1,1 мкм с различной конструкцией волновода, отличающихся толщиной GaAs волноводного слоя, толщиной и составом AlGaAs эмиттеров.

• Измерить основные характеристики торцевых полупроводниковых лазеров диапазона 1,3 мкм с латерально-связанными гребневыми волноводами: плотность порогового тока, дифференциальную эффективность, длину волны лазерной генерации, внутренние потери, внутренний квантовый выход, диаграмму направленности.

• Исследовать влияние травления сфокусированным ионным пучком (СИП) гребневых волноводов торцевых полупроводниковых лазеров на основные характеристики: плотность порогового тока и дифференциальную эффективность.

• Исследовать влияние травления СИП области между волноводами на модовый состав излучения торцевых полупроводниковых лазеров диапазона 1,3 мкм с латерально-связанными гребневыми волноводами.

Используемые методы исследования. Расчёт оптических мод связанных волноводов производился в пакете FIMWAVE. Исследуемые структуры были выращены методами молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) и газофазной эпитаксии из металлорганических соединений (МОСГФЭ). Постростовая обработка проводилась с использованием стандартных методик травления (фотолитография, сухое травление) и формирования контактов (напыление диэлектрика и металлических контактов). Монтаж лазерных диодов (ЛД) осуществлялся на медные теплоотводы с использованием индиевого припоя.

Измерения в импульсном режиме проводились при длительностях импульсов тока 100-300 нс на частоте 10кГц. В качестве приемника оптического излучения использовался InGaAs фотодиод Thorlabs с широкополосным предусилителем (150 МГц). Для увеличения амплитуды сигнала в измерительный тракт также включался усилитель +40 дБ с полосой ~50 МГц. Регистрация сигнала производилась с помощью стробирующего интегратора (Standford research SR250) который позволяет проводить усреднение по 105 импульсам, а также имеет режим автокоррекции постоянной составляющей сигнала (подставки). Исследование характеристик с временным разрешением достигается путём смещения стробирующего импульса длительностью 10 нс относительно импульса фототока. При записи ватт-амперных характеристик регистрация сигналов осуществлялась широкополосным цифровым стробоскопическим осциллографом. При измерениях в непрерывном режиме регистрация сигнала осуществлялась синхронным детектором. Для записи спектров излучение водилось в монохроматор ЛОМО МДР-41.

Для изучения диаграмм направленности была использована установка с поворотными подвижками. Излучение регистрировалось германиевым фотодиодом, расположенным на расстоянии 50 см от точки вращения.

Для изучения распределения интенсивности на зеркале (ближнего поля) была собрана установка, использующая пространственную фильтрацию в плоскости изображения. За фильтрующим элементом (30 мкм диафрагмой) располагалось оптическое волокно. Диафрагма с волокном укреплялись на прецизионной

механической подвижке, обеспечивающей пространственное разрешение 10 мкм. Излучение, введённое в волокно, далее направлялось на детектор, для исследований со спектральным разрешением излучения вводилось в монохроматор.

Травление СИП проводилось в условиях сверхвысокого вакуума с помощью сфокусированного пучка ионов Ga+ с энергией 35 кэВ и током пучка 500 пА. Сверхвысокий вакуум необходим для предотвращения нежелательного окисления в процессе травления.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Утонение р-эмиттера и смещение активной области к р-контакту в лазере на гетероструктуре InGaAs/GaAs/AlGaAs с расширенным активным волноводом с сильно локализованной фундаментальной модой и резонансным подавлением паразитной моды за счёт оптически связанного пассивного волновода снижают удельное тепловое сопротивление лазерной гетероструктуры до значения 0,5 ммК/Вт, внутренние оптические потери лазера до - 0,4 см-1 и обеспечивают высокую оптическую мощность 14,5 Вт и 50 Вт в непрерывном и импульсном режимах работы, соответственно.

2. Уменьшение теплового сопротивления лазерной гетероструктуры InGaAs/GaAs/AlGaAs с раздельным ограничением ниже 0,2 К/Вт полностью подавляет длинноволновое смещение спектров лазерной генерации при накачке импульсами тока плотностью до 25 кА/см2 длительностью до 100 нс, скважностью более 1000, вызванное саморазогревом активной области.

3. Локальное прецизионное травление сфокусированным пучком ионов поперек узкого (4 мкм) гребневого волновода торцевого лазера на основе гетероструктуры InGaAs/GaAs/AlGaAs с раздельным ограничением пошагово изменяет структуру продольных мод резонатора за счёт изменения их эффективного показателя преломления.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• Впервые предложено использовать спектры спонтанного излучения для измерения теплового сопротивления торцевых полупроводниковых лазеров ТпОаЛв/ОаЛв/ЛЮаЛв.

• Впервые проведено экспериментальное исследование изменения теплового сопротивления торцевых полупроводниковых лазеров InGaAs/GaAs/AlGaAs за счёт оптимизации конструкции лазерной гетероструктуры.

• Проведено экспериментальное исследование влияния теплового сопротивления лазерной гетероструктуры на разогрев активной области за время короткого импульса (100 нс).

• Впервые проведено систематическое исследование влияния прямого травления методом СИП гребневых волноводов лазеров на основе гетероструктуры раздельного ограничения InGaAs/GaAs/AlGaAs на характеристики лазерных диодов.

• Показана возможность разделить резонатор лазерного диода на гетероструктуре InGaAs/GaAs/AlGaAs с раздельным ограничением на два продольно связанных с помощью прецизионного травления СИП.

• Впервые проведено исследование характеристик лазеров с квантовым точками InAs/InGaAs на основе составного латерального волновода, содержащего расширенный активный и узкий пассивный гребневые волноводы шириной 10 и 2,5 мкм, соответственно.

• Впервые показано, что травление СИП области между туннельно связанными латеральными волноводами позволяет изменить модовый состав излучения системы.

Теоретическая и практическая значимость работы обусловлена следующим:

• Предложенный метод измерения теплового сопротивления, обеспечивающий высокую точность измерений, может применятся для экспериментальной оценки эффективности решений, направленных на снижение теплового сопротивления торцевых полупроводниковых лазеров.

• Исследованная конструкция составного вертикального волновода перспективна для создания мощных полупроводниковых лазеров InGaAs/GaAs/AlGaAs, которые могут использоваться в системах накачки твердотельных лазеров, системах лазерной обработки материалов, системах навигации беспилотных автомобилей и т. д.

• Использование метода прямого травления СИП ионами Ga+ позволяет вносить изменения в конструкцию InGaAs/GaAs/AlGaAs лазеров, прошедших постростовую обработку, без какой-либо предварительной подготовки. Данный метод позволяет вносить локальные изменения в гребневой волновод и может широко применятся при разработке новых конструкций лазерных диодов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

• Российский симпозиум «Полупроводниковые лазеры, физика и технология» 2016 г, 2018 г, Санкт-Петербург, Россия

• Международная конференция ФизикА.СПб, 2016 г, 2018-2020 гг, Санкт-Петербург, Россия

• Школа-конференция с международным участием по оптоэлектронике, фотонике и нанобиоструктурам «Saint Petersburg OPEN» 2017 - 2019 гг, 2021 г, Санкт-Петербург, Россия

• International Conference Laser Optics, 2018 г, 2022 г, Санкт-Петербург, Россия

• International Symposium «Nanostructures: Physics and Technology»

2018 г, 2020 г, Минск, Республика Беларусь

Личный вклад автора

Диссертационная работа является обобщением научных результатов, полученных автором во время обучения в аспирантуре ФТИ им. А.Ф. Иоффе в лаборатории физики полупроводниковых гетероструктур под руководством к.ф.-м.н. Паюсова А.С. Все изложенные в диссертации результаты получены автором лично или при его непосредственном участии. Автор самостоятельно занимался экспериментальным исследованием характеристик полупроводниковых ЛД, проводил измерения вольт- и ватт-амперных характеристик, спектров лазерной генерации, диаграмм направленности, характеристик ближнего поля, теплового сопротивления анализировал литературные источники. Также автор работы выполнял ряд технологических операций, таких как выборка и монтаж лазерных диодов на теплоотводы, нанесение металлических покрытий методом термического вакуумного испарения.

Достоверность полученных результатов обусловлена применением современного оборудования, использованием надёжных измерительных методик, использованием коммерческих программ для расчёта параметров лазерных гетероструктур, а также применением проверенных численных методов для получения новых данных и анализа результатов измерений. Все экспериментальные результаты были проверены на нескольких образцах. Основные результаты работы прошли апробацию на всероссийских и международных научных конференциях, а также опубликованы в российских и зарубежных реферируемых научных журналах.

Внедрение результатов работы: результаты диссертационной работы используются в практике научных исследований ФТИ им. А.Ф. Иоффе.

Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 14-ти публикациях.

Публикации в журналах, индексируемых в базах цитирования Scopus и Web of Science:

А1. Thermal properties of coupled-waveguide-based semiconductor lasers / A.A. Beckman, A.S. Payusov, G.O. Kornyshov, Yu.M. Shernyakov, S.A. Mintairov, N.A. Kalyuzhnyy, M.M. Kulagina, M.V. Maximov, N.Yu. Gordeev // IEEE proceedings 2022 International Conference Laser Optics (ICLO). - 2022 - P. 1-1.

А2. Lateral Mode Tuning in Coupled Ridge Waveguides Using Focused Ion Beam / A. S. Payusov, A. A. Serin, G. O. Kornyshov, M. M. Kulagina, M. I. Mitrofanov, G. V. Voznyuk, V. P. Evtikhiev, M. V. Maximov & N. Yu. Gordeev // Semiconductors. - 2020. - Vol. 54. - № 14. - P. 1811-1813.

А3. Material gain of InGaAs/GaAs quantum well-dots / Nikita Yu Gordeev, Mikhail V Maximov, Alexey S Payusov, Artem A Serin, Yuri M Shernyakov, Sergey A Mintairov, Nikolay A Kalyuzhnyy, Alexey M Nadtochiy, Alexey E Zhukov // Semiconductor Science and Technology. - 2020. - Vol. 36. - № 1 (015008).

А4. Lateral mode behaviour in diode lasers based on coupled ridges / A A Epanchinova, A S Payusov, G O Kornyshov, A A Serin, M M Kulagina, A E Zhukov, N Yu Gordeev, M V Maximov // Journal of Physics: Conference Series. - 2020. - Vol. 1695. - № 1 (012095.).

А5. Experimental study of power-limiting factors of 1.1 ^m range edge-emitting lasers based on InGaAs/GaAs quantum well-dot nanostructures / A A Serin, A S Payusov, G O Kornyshov, Yu M Shernyakov, S A Mintairov, N A Kalyuzhnyy, M M Kulagina, A E Zhukov, N Yu Gordeev, M V Maximov // Journal of Physics: Conference Series. - 2019. - Vol. 1410.

А6. High-power 0.98 ^m range diode lasers based on InGaAs/GaAs quantum well-dot active region / Kornyshov, G O, Payusov, A S, Gordeev, N Yu, Serin, A A, Shernyakov, Yu M, Mintairov, S A, Kalyuzhnyy, N A, Nadtochiy, A M, Maximov, M V,

Zhukov, A E // Journal of Physics: Conference Series. - 2019. - Vol. 1400. - № 6. - P. 0-4.

A7. Lasers Based on Quantum Well-Dots Emitting in the 980- and 1080-nm Optical Ranges / A. M. Nadtochiy, S. A. Mintairov, N. A. Kalyuzhnyy, Yu. M. Shernyakov, G. O. Kornyshov, A. A. Serin, A. S. Payusov, V. N. Nevedomsky, N. Yu. Gordeev, M. V. Maximov & A. E. Zhukov // Technical Physics Letters. - 2019. - Vol. 45. - № 2. - P. 163-166.

A8. Diode Lasers with Near-Surface Active Region / A. S. Payusov, N. Yu. Gordeev, A. A. Serin, M. M. Kulagina, N. A. Kalyuzhnyy, S. A. Mintairov, M. V. Maximov & A. E. Zhukov // Semiconductors. - 2018. - Vol. 52. - № 14. - P. 1901-1904.

A9. High-performance diode lasers based on coupled-large-optical-cavity design / N.Yu.Gordeev, A.S.Payusov, Yu.M.Shernyakov, S.A.Mintairov, N.A.Kalyuzhnyy, M.M.Kulagina, A.A.Serin, M.V.Maximov, A.E.Zhukov // Proceedings - International Conference Laser Optics 2018, ICLO 2018. - 2018. - Vol. 27. - № 4. - P. 139.

A10. Power Characteristics and Temperature Dependence of the Angular Beam Divergence of Lasers with a Near-Surface Active Region / Zhukov, A. E.; Gordeev, N. Yu.; Shernyakov, Yu. M.; Payusov, A. S.; Serin, A. A.; Kulagina, M. M.; Mintairov, S. A.; Kalyuzhnyi, N. A.; Maksimov, M. V. // Technical Physics Letters. - 2018. - Vol. 44. - № 8. - P. 675-677.

All. Reducing of thermal resistance of edge-emitting lasers based on coupled waveguides / A A Serin, A S Payusov, Yu M Shernyakov, N A Kalyuzhnyy, S A Mintairov, M V Maximov, N Yu Gordeev, A E Zhukov // Journal of Physics: Conference Series. - 2018. - Vol. 1124. - № 4. - P. 3-7.

A12. Reduction of Internal Loss and Thermal Resistance in Diode Lasers with Coupled Waveguides / A. E. Zhukov, N. Yu. Gordeev, Yu. M. Shernyakov, A. S. Payusov, A. A. Serin, M. M. Kulagina, S. A. Mintairov, N. A. Kalyuzhnyy & M. V. Maximov // Semiconductors. - 2018. - Vol. 52. - № 11. - P. 1462-1467.

A13. Resonance inhibiting of high-order lateral modes in few-stripe diode lasers / A.S.Payusov, Yu.M.Shernyakov, M.M.Kulagina, A.A.Serin, M.V.Maximov,

A.E.Zhukov, N.Yu.Gordeev // Proceedings - International Conference Laser Optics 2018, ICLO 2018. - 2018. - № 17. - P. 140.

Публикации в журналах из перечня ВАК:

А14. Модификация Гребневых Волноводов Полупроводниковых Лазеров Фокусированным Ионным Пучком / А. С. Паюсов, М. И. Митрофанов, Г. О. Корнышов, А. А. Серин, Г. В. Вознюк, М. М. Кулагина, В. П. Евтихиев, Н. Ю. Гордеев, М. В. Максимов, S. Breuer // Письма В Журнал Технической Физики. -2021. - Vol. 47. - № 24. - P. 51.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений и списка литературы и приложения. Общий объем диссертации составляет 214 страниц, включая 53 рисунка и 5 таблиц. Список литературы содержит 136 источников.

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, определены цели работы, поставлены задачи исследования, обоснована научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

Первая глава содержит аналитический обзор литературы. В первой части обсуждаются факторы, влияющие на максимальную оптическую мощность полупроводниковых лазерных диодов. Показано, что их можно разделить на две группы. К первой группе относятся явления, приводящие к сублинейному росту выходной мощности (Pout) с током накачки (I): перегрев лазерного кристалла [6], утечка носителей [7], поглощение на свободных носителях [8], двухфотонное поглощение [9], компрессия оптического усиления [10] и выжигание пространственных дыр [11]. Ко второй группе относятся явления, приводящие к катастрофической оптической деградации (КОД): катастрофическая деградация лазерных зеркал (КОДЗ) [12], образование дефектов типа тёмных линий и тёмных точек в активной области лазера [13], разрушение электрических контактов [14].

Развитие технологий производства лазерных диодов, в частности технологий защиты лазерных зеркал, привело к тому, что КОД все реже огранивает

максимальную мощность лазерных диодов. Поэтому в непрерывном режиме работы максимальная мощность современных диодных лазеров ограничена перегревом активной области, возникающим в результате термализации носителей [15]. В то же время, в научном сообществе идёт дискуссия о том, какой фактор приводящий к сублинейному росту мощности с током является доминирующим в импульсном режиме работы [16,17]. Часто полагают, что перегрев в импульсном режиме не играет определяющей роли [10]. Однако, опубликованные данные о длительности импульса накачки, при которой перегревом активной области мощного лазера можно пренебречь, различаются на порядок и лежат в диапазоне от 10 нс [18] до 300 нс [19], а плотность тока при которой перегрев становится существенным не обсуждается.

Во второй части первой главы рассматриваются способы уменьшения перегрева лазерного диода, приводится определение теплового сопротивления (Ят), рассматривается вклад каждого элемента конструкции в общее тепловое сопротивление лазерного диода, обсуждаются способы снижения теплового сопротивления лазерных гетероструктур и теплоотводов, приводится обзор экспериментальных методов измерения теплового сопротивления. Наибольшее распространение получил метод измерения перегрева активной области по смещению длинноволнового края спектра лазерной генерации [20]. Используя этот метод, тепловое сопротивление можно рассчитать по формуле (1):

дЛ

О _ _ ЛР ГлЛ

Кт--дГ~Ут (1)

дТ

где Х^р и — это наклоны зависимостей длины волны лазерной генерации от рассеиваемой тепловой мощности (Ржээ) и температуры соответственно. Зависимость от температуры измеряется в импульсном режиме работы при накачке в 1,5-2 раза выше порогового тока. Зависимость от рассеиваемой тепловой мощности получают из зависимости спектров лазерной генерации от тока непрерывной накачки. Рассеиваемую тепловую мощность определяют с помощью соотношения (2):

^ШЖЖ Рт^ I ' и

оШ

(2)

где и — падение напряжения на лазерном диоде.

В третьей части первой главы рассмотрены конструкции современных мощных лазерных диодов. В настоящее время расширенные волноводы с симметричным профилем показателя преломления [21] уступают место узким волноводам с асимметричным профилем показателя преломления [22,23]. Использование асимметричных конструкций позволяет уменьшить внутренние потери, связанные с поглощением на свободных носителях, уменьшить утечку носителей, связанную с рекомбинацией в волноводе, а также уменьшить тепловое и электрические сопротивления за счёт утонения p-эмиттера. Основные недостатки асимметричных волноводов связаны с низким контрастом показателя преломления между волноводным слоем и n-эмиттером. Фундаментальная мода имеет длинное экспоненциальное затухание в ^эмиттере, а её профиль может быть чрезвычайно чувствительным к неоднородностям тока накачки и повышению температуры, вызванным саморазогревом лазера. Нестабильность профиля поперечной моды приводит к увеличению вертикальной расходимости и ухудшению качества луча, что проявилось уже в первой экспериментальной работе [24].

Рисунок 1. Изображение оптических мод изолированных волноводов (слева) и волновода CLOC (справа).

В четвёртой части первой главы приводится описание концепции вертикального волновода CLOC (Coupled Large Optical Cavity), применяемой в настоящей работе [25]. Волновод CLOC состоит из расширенного многомодового волновода A, содержащего активную область, оптически связанного с узким одномодовым пассивным волноводом P (рисунок 1). Толщины слоёв и значения их показателей преломления можно подобрать таким образом, что эффективный показатель преломления паразитной оптической моды высшего порядка (2-я мода на рисунке 1 слева) расширенного активного волновода A совпадает или очень близок к значению эффективного показателя преломления единственной собственной моды узкого пассивного волновода P [26]. Поэтому их фазовые скорости оказываются практически равными, и выполняется условие оптического туннелирования. В результате, паразитная мода высокого порядка активного волновода и мода узкого волновода образуют две комбинированные моды (рисунок 1 справа), интенсивности которых в активном волноводе (с активной областью) в два раза меньше интенсивности паразитной моды. Кроме того, комбинированные моды имеют большую интенсивность в высоколегированном пассивном волноводе, то есть, обладают высокими оптическими потерями. Таким образом, для двух комбинированных мод пороговое условие не выполняется за счёт уменьшенного фактора оптического ограничения и высоких оптических потерь. При этом, наличие пассивного узкого волновода никак не влияет на фундаментальную моду активного волновода, и она остаётся единственной вертикальной лазерной модой CLOC лазера. Из-за того, что фундаментальная мода практически не проникает в р-эмиттер, его толщину можно уменьшать, не изменяя при этом концентрацию алюминия.

Во второй главе приведено подробное описание методов исследований и монтажа образцов, которые применялись в настоящей работе.

Третья глава посвящена разработке метода для измерения теплового сопротивления торцевых полупроводниковых лазеров. В первой части главы рассмотрены источники систематической ошибки стандартного метода измерений и сформулированы требования к разрабатываемой методике.

При измерении стандартным методом предполагают, что сдвиг длины волны при увеличении температуры определяется изменением ширины запрещённой зоны материала активной области. Однако, на положение лазерной линии также оказывает влияние баланс между модальным усилением и потерями. Повышение температуры приводит к увеличению внутренних оптических потерь в лазере. Прирост внутренних потерь компенсируется увеличением материального усиления, которое выше для коротковолновых состояний. Поэтому спектральная линия излучения мощных полупроводниковых лазеров при непрерывной накачке может смещаться в коротковолновую область [27]. Кроме того, работа в непрерывном режиме отличается от импульсного режима неоднородностью разогрева. В непрерывном режиме формируется профиль температуры вдоль и поперек волновода, по-другому происходит рост внутренних оптических потерь. Поэтому сдвиг длины волны при увеличении температуры активной области в непрерывном и импульсном режимах, вообще говоря, различны.

Во второй части третьей главы показано, что, измеряя спектры спонтанного излучения, собранного по нормали к слоям лазерной гетероструктуры, вместо лазерной линии можно исключить систематическую ошибку измерения теплового сопротивления. При относительно небольшой плотности тока спектр спонтанного излучения при непрерывной накачке совпадает по форме со спектром при импульсной накачке и повышенной температуре (рис 2 сверху). За порогом лазерной генерации концентрация носителей в активной области увеличивается с ростом плотности тока накачки, и формы спонтанных спектров начинают различаться. В этом случае для измерения температуры активной области можно использовать положение длинноволнового края спектра по длине волны на половине максимума интенсивности (А0,5, рис 2 снизу). В диапазоне токов до 10 кА/см2 форма длинноволнового края спонтанных спектров оставалась неизменной.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бекман Артем Александрович, 2022 год

Список литературы

1. Chen N. et al. Cost-effective telecom/datacom semiconductor lasers. 2007. P. 67821J.

2. Dunsky C.M. Laser material processing in microelectronics manufacturing: status and near-term opportunities / ed. Fieret J. et al. 2005. P. 200.

3. Hulicius E., Kubecek V. Semiconductor lasers for medical applications // Lasers for Medical Applications. Elsevier, 2013. P. 222-250.

4. Guilhot D., Ribes-Pleguezuelo P. Laser Technology in Photonic Applications for Space // Instruments. 2019. Vol. 3, № 3. P. 50.

5. Bloom S.H. et al. Laser communications for UAV applications / ed. Fishell W.G. et al. 1995. P. 85-95.

6. Тер-Мартиросян Александр Леонович. Докторская диссертация: Мощные источники лазерного излучения на основе квантово-размерных гетероструктур. Санкт-Петебург, 2014. 331 p.

7. Ryvkin B.S., Avrutin E.A. Effect of carrier loss through waveguide layer recombination on the internal quantum efficiency in large-optical-cavity laser diodes // J. Appl. Phys. 2005. Vol. 97, № 11. P. 113106.

8. Ryvkin B., Avrutin E. Heating-induced carrier accumulation in the optical confinement layer and the output power in broadened symmetric and narrow asymmetric waveguide laser diodes // J. Appl. Phys. 2007. Vol. 101, № 12. P. 123115.

9. Avrutin E.A., Ryvkin B.S. Theory of direct and indirect effect of two-photon absorption on nonlinear optical losses in high power semiconductor lasers // Semicond. Sci. Technol. IOP Publishing, 2017. Vol. 32, № 1. P. 015004.

10. Slipchenko S.O. et al. Finite time of carrier energy relaxation as a cause of optical-

power limitation in semiconductor lasers // Semiconductors. 2006. Vol. 40, № 8. P. 990-995.

11. Wenzel H. et al. The analysis of factors limiting the maximum output power of broad-area laser diodes // Opt. Quantum Electron. 2009. Vol. 41, № 9. P. 645-652.

12. Алферов Ж.И., Н.И. Кацавец, В.Д. Петриков, И.С. Тарасов В.Б.Х. Об оптической прочности зеркал высокомощных квантово-размерных лазерных диодов с раздельным ограничением, работающих в непрерывном режиме // Физика И Техника Полупроводников. 1996. Vol. 30, № 3. P. 474-483.

13. Sin Y. et al. Catastrophic optical bulk damage (COBD) in high power multi-mode InGaAs-AlGaAs strained quantum well lasers. 2011. P. 791803.

14. Song Y. et al. Processes of the Reliability and Degradation Mechanism of HighPower Semiconductor Lasers // Crystals. 2022. Vol. 12, № 6. P. 765.

15. Crump P. et al. Progress in increasing the maximum achievable output power of broad area diode lasers // High-Power Diode Laser Technol. Appl. X. 2012. Vol. 8241. P. 82410U.

16. Piprek J. On the reliability of pulse power saturation models for broad-area GaAs-based lasers // Opt. Quantum Electron. Springer US, 2019. Vol. 51, № 2. P. 1-10.

17. Wenzel H. et al. Theoretical and experimental investigations of the limits to the maximum output power of laser diodes // New J. Phys. 2010. Vol. 12, № 8. P. 085007.

18. Abdelkader H.I., Hausien H.H., Martin J.D. Temperature rise and thermal rise-time measurements of a semiconductor laser diode // Review of Scientific Instruments. 1992. Vol. 63, № 3. P. 2004-2007.

19. Wang X. et al. Assessment of the limits to peak power of 1100nm broad area single emitter diode lasers under short pulse conditions // High-Power Diode Laser Technol. Appl. VII. 2009. Vol. 7198. P. 71981G.

20. Friedrich Bachmann P., Loosen, R.P. High Power Diode Lasers // Springer series in solid-state sciences ; 74 / ed. Bachmann F., Loosen P., Poprawe R. New York, NY: Springer New York, 2007. Vol. 128. 548 p.

21. Pikhtin N.A. et al. 16 W continuous-wave output power from 100 [micro sign]m-aperture laser with quantum well asymmetric heterostructure // Electron. Lett. 2004. Vol. 40, № 22. P. 1413.

22. Ryvkin B.S., Avrutin E.A., Kostamovaara J.T. Narrow versus broad asymmetric waveguides for single-mode high-power laser diodes // J. Appl. Phys. 2013. Vol. 114, № 1. P. 013104.

23. Kaul T. et al. Extreme triple asymmetric (ETAS) epitaxial designs for increased efficiency at high powers in 9xx-nm diode lasers // High-Power Diode Laser Technology XVI / ed. Zediker M.S. SPIE, 2018. P. 9.

24. А. П. Богатовa, Т. И. Гущи^, А. Е. Дракита, А. П. НекрасовЬ В.В.П. Оптимизация волноводных параметров лазерных гетероструктур InGaAs/AlGaAs/GaAs с целью наибольшего увеличения ширины пучка в резонаторе и получения максимальной лазерной мощности // Квантовая электроника. 2008. Vol. том 38, № номер 10. P. 935-939.

25. Gordeev N.Y. et al. Transverse single-mode edge-emitting lasers based on coupled waveguides // Opt. Lett. 2015. Vol. 40, № 9. P. 2150.

26. Gordeev N.Y., Maximov M. V, Zhukov A.E. Transverse mode tailoring in diode lasers based on coupled large optical cavities // Laser Phys. IOP Publishing, 2017. Vol. 27, № 8. P. 086201.

27. Dutta N.K., Jaques J., Piccirilli A.B. Anomalous spectral behaviour of high power laser diodes // Electron. Lett. 2002. Vol. 38, № 11. P. 513.

28. Casey H.C., Panish M.B. HETEROSTRUCTURE LASERS. New York, San Francisco, London: Academic Press, 1978.

29. Larry A. Coldren; Scott W. Corzine; Milan L. Mashanovitch. Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits. Wiley, 2012. 714 p.

30. Tomm J.W. et al. Mechanisms and fast kinetics of the catastrophic optical damage (COD) in GaAs-based diode lasers // Laser Photon. Rev. 2011. Vol. 5, № 3. P. 422441.

31. Zhukov A.E. et al. Power Characteristics and Temperature Dependence of the Angular Beam Divergence of Lasers with a Near-Surface Active Region // Tech. Phys. Lett. 2018. Vol. 44, № 8. P. 675-677.

32. Wang X. et al. Root-Cause Analysis of Peak Power Saturation in Pulse-Pumped 1100 nm Broad Area Single Emitter Diode Lasers // IEEE J. Quantum Electron. 2010. Vol. 46, № 5. P. 658-665.

33. Dogan M. et al. Two photon absorption in high power broad area laser diodes // High-Power Diode Laser Technol. Appl. XII. 2014. Vol. 8965. P. 89650P.

34. Slipchenko S.O. et al. Finite time of carrier energy relaxation as a cause of optical-power limitation in semiconductor lasers // Semiconductors. 2006. Vol. 40, № 8. P. 990-995.

35. Е.Ю. Котельников, А.А. Кацнельсон, И.В. Кудряшов, М.Г. Растегаева В.Р., В.П. Евтихиев, И.С. Тарасов Ж.И.А. Плотность мощности оптической деградации зеркал InGaAs/AlGaAs/GaAs-лазерных диодов // Физика И Техника Полупроводников. 2000. Vol. 34, № 11. P. 1394-1395.

36. Henry C.H. et al. Catastrophic damage of Al x Ga 1- x As double-heterostructure laser material // J. Appl. Phys. 1979. Vol. 50, № 5. P. 3721-3732.

37. Sin Y. et al. Catastrophic optical bulk damage (COBD) in high power multi-mode InGaAs-AlGaAs strained quantum well lasers // High-Power Diode Laser Technol. Appl. IX. 2011. Vol. 7918, № 310. P. 791803.

38. Fukuda M. Historical overview and future of optoelectronics reliability for optical

fiber communication systems // Microelectron. Reliab. 2000. Vol. 40, № 1. P. 2735.

39. Тарасов И.С. Мощные полупроводниковые лазеры на основе гетероструктур раздельного ограничения // Квантовая электроника. 2010. Vol. 40, № 8. P. 661681.

40. Botez D. Design considerations and analytical approximations for high continuous-wave power, broad-waveguide diode lasers // Appl. Phys. Lett. 1999. Vol. 74, № 21. P. 3102-3104.

41. Crump P. et al. Efficient High-Power Laser Diodes // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2013. Vol. 19, № 4. P. 1501211-1501211.

42. Winterfeldt M. et al. Assessing the influence of the vertical epitaxial layer design on the lateral beam quality of high-power broad area diode lasers // High-Power Diode Laser Technol. Appl. XIV. 2016. Vol. 9733. P. 973300.

43. Котельников_Е.Ю. Диссертация на соискание ученой степени К.Ф-М.Н. "Физические принципы увеличения мощности излучения инжекционных лазеров." Санкт-Петербург: ФТИ. Им. А.Ф. Иоффе, 2002. 102 p.

44. Liu X. et al. Packaging of high power semiconductor lasers // Packaging of High Power Semiconductor Lasers. 2015. 1-402 p.

45. Gasser M. L.E.E. Method for Mirror Passivation ofSemiconduc- tor Laser Diodes: pat. US5144634A USA. USA, 1992.

46. Kimerling L.C. Recombination enhanced defect reactions // Solid State Electron. 1978. Vol. 21, № 11-12. P. 1391-1401.

47. Maeda K. et al. Quantitative measurements of recombination enhanced dislocation glide in gallium arsenide // J. Appl. Phys. 1983. Vol. 54, № 1. P. 161-168.

48. Sin Y. et al. Physics of failure based reliability model of high-power InGaAs-AlGaAs strained QW lasers prone to COBD failure // High-Power Diode Laser

Technology XVIII / ed. Zediker M.S. SPIE, 2020. P. 6.

49. Гарбузов Д.3., Овчинников А.В., Пихтин Н.А., Тарасов И.С. Х.В.Б. Экспериментальное и теоретическое исследование особенностей пороговых и мощностных характеристик РО ДГС InGaAsP/InP-лазеров (lambda=1.3 мкм) // Физика И Техника Полупроводников. 1991. Vol. 25, № 5. P. 928.

50. Holonyak N. et al. Quantum-Well Heterostructure Lasers // IEEE J. Quantum Electron. 1980. Vol. 16, № 2. P. 170-186.

51. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Москва: Изд-во МФТИ, 2004. 654 p.

52. Pankove J. Temperature dependence of emission efficiency and lasing threshold in laser diodes // IEEE J. Quantum Electron. 1968. Vol. 4, № 4. P. 119-122.

53. Пихтин Н.А. et al. Температурная Зависимость Внутренних Оптических Потерь В Полупроводниковых Лазерах ( Л = 900 - 920 Нм ) // Физика И Техника Полупроводников. 2010. Vol. 44, № 10. P. 1411-1416.

54. Бирюков А.А. et al. Аномальные Характеристики Лазеров С Большим Числом Квантовых Ям // Журнал Технической Физики. 2011. Vol. 81, № 7. P. 149-151.

55. Л.В. Асрян Р.А.Сурис. Теория Пороговых Характеристик Полупроводниковых Лазеров На Квантовых Точках // Физика И Техника Полупроводников. 2004. Vol. 31, № 1. P. 3-25.

56. Varshni Y.P. Temperature dependence of the energy gap in semiconductors // Physica. 1967. Vol. 34, № 1. P. 149-154.

57. С.О. Слипченко, Д.А. Винокуров, Н.А. Пихтин^, З.Н. Соколова, А.Л. Станкевич, И.С. Тарасов Ж.И.А. Сверхнизкие Внутренние Оптические Потери В Квантово-Размерных Лазерных Гетероструктурах Раздельного Ограничения // "Физика И Техника Полупроводников." 2004. Vol. 38, № 12. P. 1477.

58. Ryvkin B., Avrutin E. Non-uniform carrier accumulation in optical confinement

layer as ultimate power limitation in ultra-high-power broad-waveguide pulsed InGaAs/GaAs/AlGaAs laser diodes // Electron. Lett. 2006. Vol. 42, № 22. P. 1283.

59. Ryvkin B.S., Avrutin E.A. Asymmetric, nonbroadened large optical cavity waveguide structures for high-power long-wavelength semiconductor lasers // J. Appl. Phys. 2005. Vol. 97, № 12. P. 123103.

60. Avrutin E.A. et al. Fundamental transverse mode selection and self-stabilization in large optical cavity diode lasers under high injection current densities // Semicond. Sci. Technol. 2015. Vol. 30, № 11. P. 115007.

61. Г.Г. Зегря, И.Ю. Соловьев. ФТП, 39, (2005), P -636.

62. Brauch U., Loosen P., Opower H. High-Power Diode Lasers for Direct Applications. 2000. P. 303-368.

63. Тер-Мартиросян А.Л. et al. Анализ И Оптимизация Конструкции Теплоотводов Для Мощных Лазерных Диодов. I. Теплоотвод Традиционной Конструкции // Научное Приборостроение. 2013. Vol. 23, № 4. P. 40-44.

64. Жуков А. Е.; Максимов М.В. Современные инжекционные лазеры. В.М.Устино. Санкт-Петербург: Изд-во Политехнического ун-та, 2009. 276 p.

65. Fallahi M., Bedford R. High-power semiconductor lasers // Semiconductor Lasers: Fundamentals and Applications. Woodhead Publishing Limited, 2013. 81-120 p.

66.

http: //web.mit.edu/16.unified/www/FALL/thermodynamics/notes/node 118. html# 17234 [Electronic resource].

67. Wu D.-H., Zah C.-E., Liu X. Three-dimensional thermal model of a high-power diode laser bar // Appl. Opt. 2018. Vol. 57, № 33. P. 9868.

68. А. Л. Тер-Мартиросян, Д. М. Демидов, М. А. Свердлов, А. В. Кулик С.Ю.К. Анализ И Оптимизация Конструкции Теплоотводов Для Мощных Лазерных Диодов. II. Пути Улучшения Отвода Тепла // Научное Приборостроение. 2013.

P. 45-49.

69. Слипченко С.О. et al. Срыв Генерации В Мощных Полупроводниковых Лазерах // Физика И Техника Полупроводников. 2009. Vol. 43, № 10. P. 14091412.

70. Adachi S. GaAs, AlAs, and Al x Ga 1- x As: Material parameters for use in research and device applications // J. Appl. Phys. 1985. Vol. 58, № 3. P. R1-R29.

71. Bisaro R., Merenda P., Pearsall T.P. The thermal-expansion parameters of some Ga x In 1- x As y P 1- x alloys // Appl. Phys. Lett. 1979. Vol. 34, № 1. P. 100-102.

72. Carlson R.O., Slack G.A., Silverman S.J. Thermal Conductivity of GaAs and GaAs 1- x P x Laser Semiconductors // J. Appl. Phys. 1965. Vol. 36, № 2. P. 505-507.

73. Novikova, S. I., Sov. Phys. Solid State 3, 1 (1961) P129.

74. Afromowitz M.A. Thermal conductivity of Ga 1- x Al x As alloys // J. Appl. Phys. 1973. Vol. 44, № 3. P. 1292-1294.

75. Демидов Д.М. et al. Мощные Лазерные Диоды С Длиной Волны Излучения 808 Нм. III. Пути Повышения Мощности Излучения // Научное Приборостроение. 2013. Vol. 23, № 2. P. 129-138.

76. Кикоин И.К. Таблицы физических величин. Справочник. / ed. Кикоин. И.К. Москва: Атомиздат, 1976. 1008 p.

77. Chung D.D.L. Materials for thermal conduction // Appl. Therm. Eng. 2001. Vol. 21, № 16. P. 1593-1605.

78. https://materion.com [Electronic resource].

79. https://remtec.com/ [Electronic resource].

80. https: //www.tecnisco.com/en/en_product/en_metal/en_cu_ain.html [Electronic resource].

81. Samareh J.A., Siochi E.J. Systems analysis of carbon nanotubes: opportunities and challenges for space applications // Nanotechnology. 2017. Vol. 28, № 37. P. 372001.

82. Rape A. et al. Alloy development for highly conductive thermal management materials using copper-diamond composites fabricated by field assisted sintering technology // J. Mater. Sci. 2013. Vol. 48, № 3. P. 1262-1267.

83. https: //www.allied-material.co.j p/en/products/heatspreader/characteristic.html [Electronic resource].

84. Sun L., Zhang L. Properties and Microstructures of Sn-Ag-Cu-X Lead-Free Solder Joints in Electronic Packaging // Adv. Mater. Sci. Eng. 2015. Vol. 2015. P. 1-16.

85. Wiese S. et al. Constitutive behaviour of lead-free solders vs. lead-containing solders-experiments on bulk specimens and flip-chip joints // 2001 Proceedings. 51st Electronic Components and Technology Conference (Cat. No.01CH37220). IEEE, 2001. P. 890-902.

86. Bezotosnyi V. V et al. Thermal modelling of high-power laser diodes mounted using various types of submounts // Quantum Electron. 2014. Vol. 44, № 10. P. 899-902.

87. Jia S.Q., Yang F. High thermal conductive copper/diamond composites: state of the art // J. Mater. Sci. Springer US, 2021. Vol. 56, № 3. P. 2241-2274.

88. Wu D.H., Zah C.E., Liu X. Thermal design for the package of high-power singleemitter laser diodes // Opt. Laser Technol. Elsevier Ltd, 2020. Vol. 129, № April. P. 106266.

89. Yu W. et al. High-aspect-ratio metal microchannel plates for microelectronic cooling applications // J. Micromechanics Microengineering. 2010. Vol. 20, № 2. P. 025004.

90. Wu D.-H., Zah C.-E., Liu X. Thermal hydraulic performance of a microchannel

heat sink for cooling a high-power diode laser bar // Appl. Opt. 2019. Vol. 58, №2 8. P. 1966.

91. Gapontsev V. et al. Highly-efficient high-power pumps for fiber lasers // HighPower Diode Laser Technol. XV. 2017. Vol. 10086. P. 1008604.

92. Crump P. et al. Limitations to peak continuous wave power in high power broad area single emitter 980 nm diode lasers // CLEO/Europe - EQEC 2009 - European Conference on Lasers and Electro-Optics and the European Quantum Electronics Conference. IEEE, 2009. Vol. 719840. P. 1-1.

93. Fujii M. et al. Measuring the thermal conductivity of a single carbon nanotube // Phys. Rev. Lett. 2005. Vol. 95, № 6. P. 8-11.

94. Baig M.M.A. et al. Metal Matrix Composite in Heat Sink Application: Reinforcement, Processing, and Properties // Materials (Basel). 2021. Vol. 14, № 21. P. 6257.

95. https://beamqus.com [Electronic resource].

96. Saini S.S., Cho S.H., Dagenais M. Thermal considerations in high power semiconductor lasers and semiconductor optical amplifiers // Photonics Packag. Integr. Interconnects VII. 2007. Vol. 6478, № March. P. 647805.

97. Saha T., Kumar S., Ray U.C. On the estimation of thermal resistance of laser diodes // Proc. 14th Int. Work. Phys. Semicond. Devices, IWPSD. 2007. P. 475-478.

98. Both W., Piprek J. Thermal resistance of InGaAs/InP laser diodes // J. Therm. Anal. 1990. Vol. 36, № 4. P. 1441-1456.

99. JESD51-1, "Integrated Circuit Thermal Measurement Method — Electrical Test Method", JEDEC Standard, December 1995 [Electronic resource].

100. JEDEC Standard, December 1995, Package-related thermal resistance of LEDs Application Note No. AN049.

101. Paoli T.L. A New Technique for Measuring the Thermal Impedance of Junction Lasers // IEEE J. Quantum Electron. 1975. Vol. 11, № 7. P. 498-503.

102. Kowalczyk E. et al. Dynamics of thermo-optical properties of semiconductor lasers // High-Power Diode Laser Technol. Appl. V. 2007. Vol. 6456. P. 64561G.

103. Teh L.A.J. and A. Measuring High Power Laser Diode Junction Temperature and Package Thermal Impedance [Electronic resource] // Lightwave Corporation. 2008. URL:

https://www.newport.com/medias/sys_master/images/images/h66/h78/879705014

2750/AN30-Measuring-High-Power-Laser-Diode-Junction-Temperature-and-

Package-Thermal-Impedance.pdf.

104. Bezotosnyï V. V. et al. High-power laser diodes of wavelength 808 nm based on various types of asymmetric heterostructures with an ultrawide waveguide // Semiconductors. 2008. Vol. 42, № 3. P. 350-353.

105. Pietrzak A. et al. Combination of low-index quantum barrier and super large optical cavity designs for ultranarrow vertical far-fields from high-power broad-area lasers // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2011. Vol. 17, № 6. P. 1715-1722.

106. Crump P. et al. 20W continuous wave reliable operation of980nm broad-area single emitter diode lasers with an aperture of 96^m // High-Power Diode Laser Technol. Appl. VII. 2009. Vol. 7198. P. 719814.

107. Ryvkin B.S., Avrutin E.A. Effect of carrier loss through waveguide layer recombination on the internal quantum efficiency in large-optical-cavity laser diodes // J. Appl. Phys. 2005. Vol. 97, № 11. P. 113106.

108. Zhao X. et al. Extreme Double/Triple Asymmetric Epitaxial Structure Based Diode Lasers for High Powers and High Efficiencies // IEEE Photonics J. 2022. Vol. 14, № 3. P. 1-11.

109. Skidmore J. et al. Advances in high-power 9XXnm laser diodes for pumping fiber

lasers / ed. Zediker M.S. 2016. P. 97330B.

110. Kanskar M. et al. High brightness diodes and 600W & 60% efficient fibercoupled packages enabled by reduced-mode (REM) diodes // High-Power Diode Laser Technology XVII / ed. Zediker M.S. SPIE, 2019. P. 14.

111. little B.E., Huang W.P. Coupled-Mode Theory for Optical Waveguides // Prog. Electromagn. Res. 1995. Vol. 10. P. 217-270.

112. Жуков А.Е. et al. Мощностные характеристики и температурная зависимость угловой расходимости излучения лазеров с приповерхностной активной областью // Письма в журнал технической физики. 2018. Vol. 44, № 15. P. 46.

113. Serin A. et al. Edge-emitting lasers based on coupled large optical cavity with high beam stability // J. Phys. Conf. Ser. 2017. Vol. 929, № 1. P. 012077.

114. Шерняков Ю.М. et al. Влияние конструкции активной области и волновода на характеристики лазеров на основе структур квантовые ямы-точки InGaAs/GaAs // Физика и техника полупроводников. 2021. Vol. 55, № 3. P. 256.

115. Паюсов Алексей Сергеевич. Диссертация кандидата физико-математических наук "Инжекционные полупроводниковые лазеры со спектрально-селективными потерями и спектрально-зависимым фактором оптического ограничения." ФТИ. Им. А.Ф. Иоффе, 2011. 112 p.

116. Klopf F. et al. Correlation between the gain profile and the temperature-induced shift in wavelength of quantum-dot lasers // Appl. Phys. Lett. 2002. Vol. 81, № 2. P. 217-219.

117. Payusov A.S. et al. Diode Lasers with Near-Surface Active Region // Semiconductors. 2018. Vol. 52, № 14. P. 1901-1904.

118. Bezotosnyi V. V et al. Spectral features and thermal resistance of 976-nm cw laser diodes with a power up to 15 W // Quantum Electron. 2016. Vol. 46, № 8. P. 679681.

119. SHTENGEL G.E. et al. ADVANCES IN MEASUREMENTS OF PHYSICAL PARAMETERS OF SEMICONDUCTOR LASERS // Int. J. High Speed Electron. Syst. 1998. Vol. 09, № 04. P. 901-940.

120. Kesler M.P., Harder C. Gain and spontaneous emission measurements in GaAlAs quantum well lasers // Conf. Dig. - IEEE Int. Semicond. Laser Conf. 1990. Vol. 21, № 6. P. 94-95.

121. А.Н. Зайдель. Ошибки измерений физических величин. Ленинград: Академия наук СССР, издательсво "Наука," 1974. 108 p.

122. Борис Павлович Демидович. Краткий курс высшей математики. 2008. 656 (формула со стр.426) p.

123. Serin A.A. et al. Reducing of thermal resistance of edge-emitting lasers based on coupled waveguides // J. Phys. Conf. Ser. 2018. Vol. 1124, № 4. P. 041016.

124. Nadtochiy A.M. et al. Lasers Based on Quantum Well-Dots Emitting in the 980-and 1080-nm Optical Ranges // Tech. Phys. Lett. 2019. Vol. 45, № 2. P. 163-166.

125. Maximov M. V. et al. Light Emitting Devices Based on Quantum Well-Dots // Appl. Sci. 2020. Vol. 10, № 3. P. 1038.

126. Gordeev N.Y. et al. Material gain of InGaAs/GaAs quantum well-dots // Semicond. Sci. Technol. 2021. Vol. 36, № 1. P. 015008.

127. Kornyshov G.O. et al. Gain spectra of lasers based on transitional dimension active region // J. Phys. Conf. Ser. 2020. Vol. 1697, № 1. P. 012177.

128. Mintairov S.A. et al. GaAs quantum well-dots solar cells with spectral response extended to 1100 nm // Electron. Lett. 2015. Vol. 51, № 20. P. 1602-1604.

129. Payusov A.S. et al. Resonance inhibiting of high-order lateral modes infew-stripe diode lasers // 2018 International Conference Laser Optics (ICLO). IEEE, 2018. № 17. P. 140-140.

130. Payusov A.S. et al. Lateral mode engineering in diode lasers based on coupled ridges // J. Phys. Conf. Ser. 2018. Vol. 1124, № 4. P. 041043.

131. §eker E. et al. Single-mode operation of electrically pumped edge-emitting lasers through cavity coupling of high order modes // High-Power Diode Laser Technology XX / ed. Zediker M.S., Zucker E.P. SPIE, 2022. P. 9.

132. Zhao X. et al. High-power single-mode triple-ridge waveguide semiconductor laser based on supersymmetry // AIP Adv. 2021. Vol. 11, № 9. P. 095216.

133. Epanchinova A.A. et al. Lateral mode behaviour in diode lasers based on coupled ridges // J. Phys. Conf. Ser. 2020. Vol. 1695, № 1. P. 012095.

134. Паюсов А.С. et al. Модификация гребневых волноводов полупроводниковых лазеров фокусированным ионным пучком // Письма в журнал технической физики. 2021. Vol. 47, № 24. P. 51.

135. Гордеев Н.Ю., Новиков И.И., Кузнецов А.М., Шерняков Ю.М., Максимов М.В., Жуков А.Е., Чунарева А.В., Паюсов А.С., Лившиц Д.А. К.А.Р. Пространственно-одномодовый полупроводниковый лазер на InAs/InGaAs-квантовых точках с дифракционным фильтром оптических мод // Физика И Техника Полупроводников. 2010. Vol. 44, № 10. P. 1401.

136. Temkin H. et al. Single mode operation of 1.5-^m cleaved-coupled-cavity InGaAsP lasers // Appl. Phys. Lett. 1983. Vol. 43, № 8. P. 723-725.

137. Marcuse D., Tien-Pei Lee. Rate equation model of a coupled-cavity laser // IEEE J. Quantum Electron. 1984. Vol. 20, № 2. P. 166-176.

Приложение А. Основные публикации по теме диссертационной работы

Thermal properties of coupled-waveguide-based

semiconductor lasers

A.A.Beckman1, A.S.Payusov 1, G.O.Kornyshov2, Yu.M.Shernyakov1, S.A.Mintairov1, N.A.Kalyuzhnyy1, M.M.Kulagina1,

M.V.Maximov2 and N.Yu.Gordeev1 1Ioffe Institute, St Petersburg, Russia 2Alferov University, St Petersburg, Russia

Abstract — We show experimentally how, utilizing coupled cavities, one can simultaneously improve the key parameters of diode lasers: internal optical loss and thermal resistance. Obtained results are promising for coming high-power semiconductor lasers.

Keywords — diode lasers; optical waveguides; laser modes; thermal resistance

o o

I. Introduction

The performance of modern high-power semiconductor lasers is mainly limited by laser packaging, mounting technology, and laser heterostructure designs. While the sole purpose of the first two is to provide heat dissipation, the design of laser heterostructures essentially determines the main parameters including the device thermal properties. The thermal resistance of the laser heterostructure layers, located between the active region and the surface of p-contact usually accounts for 10-15% of the total thermal resistance of packaged diode lasers. New generations of thermally conductive materials like artificial diamonds, graphite, carbon nanotubes would improve the heat spreading performance of the laser packaging in the future. Hence, the development of new heterostructure designs comprising the best features of modern semiconductor lasers with improved thermal resistance is becoming a relevant problem. Here we show how Coupled Large Optical Cavity (CLOC) design developed for tailoring high-order transverse modes [1] allows simultaneous improvement of optical and thermal properties of the diode lasers.

Fig. 1 Measured thermal resistances. Dotted lines correspond to the specific thermal resistances indicated with their values.

p-side down onto copper heatsinks using indium solder. The 3 mm conventional lasers demonstrated the threshold current density of 120 A/cm2. The CLOC lasers with the same length have slightly higher threshold of 170 A/cm2 (200 A/cm2 for advanced CLOC design) due to the smaller optical confinement factor in broadened waveguides. The internal optical loss decreased along with the change in the active region position from 1 cm-1 to 0.4 cm-1. To investigate the effect of active region position on the thermal resistance of the diode lasers we have improved the measurement accuracy of active region overheat. It was done by the determining the redshift of the long-wavelength tail of the true spontaneous emission (TSE), collected from the window in metallization on the n-side of the device. We obtained TSE spectra at different CW output powers (or respective dissipated powers) and the TSE temperature shifts in the pulse mode (350 ns@10kHz). Figure 1 shows that using the CLOC designs decreases specific thermal resistance by 0.8 (mm-K)/W to the more conventional ones.

©

o _i

u

II. Laser designs and operation

We compare three different laser structure concepts. The active region of all three consists of two layers of In0.4Ga0.6As quantum well-dots (QWD) [2]. The laser wafers were grown by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) on n-GaAs (100) substrates. The waveguide of the conventional-design heterostructure is formed by a 0.68 ^m GaAs core layer sandwiched between 1.5 ^m AlGaAs claddings. The CLOC laser has the p-cladding as thin as 0.5 ^m and 1.3 ^m active waveguide optically coupled with the 0.22 ^m passive waveguide placed on the n-side. A more detailed description could be found in [2]. The advanced CLOC is much the same as the design reported earlier [1]. The depth of the active region is 2.27, 1.32, and 0.93 ^m for conventional, CLOC, and advanced CLOC lasers correspondingly.

The laser wafers were processed into 100 ^m shallow mesa ridge lasers. The laser diodes of various lengths were mounted

The Russian Science Foundation project #22-22-00557, https://rscf.ru/project/22-22-00557/

III. Conclusions

The obtained results demonstrate that utilizing CLOC waveguides one can simultaneously improve internal optical loss and thermal resistance, the parameters critical for highpower lasers.

Acknowledgment

This work was partly supported by the Russian Science Foundation (project #22-22-00557).

References

[1] A.E. Zhukov et al. Reduction of Internal Loss and Thermal Resistance in Diode Lasers with Coupled Waveguides. Semiconductors vol. 52(11), pp 1462-1467, May 2018.

[2] M.V. Maximov et al. Light Emitting Devices Based on Quantum Well-Dots. Appl. Sci. vol. 10(3), p. 1038, Feb 2020.

Authorized licensed use limited to: loffe Physical-Tech Inst - RAS. Downloaded on September 18,2022 at 18:36:08 UTC from IEEE Xplore. Restrictions apply.

ISSN 1063-7826, Semiconductors, 2020, Vol. 54, No. 14, pp. 1811-1813. © Pleiades Publishing, Ltd., 2020.

LASERS

AND OPTOELECTRONIC DEVICES

Lateral Mode Tuning in Coupled Ridge Waveguides Using Focused Ion Beam

A. S. Payusov"*, A. A. Serin"**, G. O. Kornyshov4***, M. M. Kulagina"****, M. I. Mitrofanov"*****, G. V. Voznyuk"******, V. P. Evtikhiev"*******, M. V. Maximov4********, and N. Yu. Gordeev"*********

a Ioffe Institute, St. Petersburg, Russia b Alferov University, St. Petersburg, Russia *e-mail: [e-mail] **e-mail: [e-mail] ***e-mail: [e-mail] ****e-mail: [e-mail] *****e-mail: [e-mail] ******e-mail: [e-mail] *******e-mail: [e-mail] ********e-mail: [e-mail] *********e-mail: [e-mail] Received June 19, 2020; revised June 19, 2020; accepted July 17, 2020

Abstract—We present an approach for the treatment of coupled-ridge lasers using focused ion beam (FIB) etching. We show experimentally that the FIB etching allows post-processing lateral mode tuning without deterioration of the main laser parameters.

Keywords: diode lasers, optical waveguides, focused ion beam DOI: 10.1134/S1063782620140237

1. INTRODUCTION

Laterally coupled semiconductor lasers have been studied both theoretically and experimentally during last decades due to interesting effects which may occur in coupled active waveguides, such as bistability, mode selectivity [1], chaotic mode behavior [2] and possible modulation rates beyond the relaxation oscillation frequency [3, 4]. Besides, phase-locked arrays of the optically coupled lasers allow broadening waveguides in the lateral direction which results in high optical power in spatially single-mode regime [5].

Optical coupling of the index guided lasers requires precise control of the waveguide parameters, namely the width, etch depth, distance between the waveguides and taking into account the lateral current spreading. The post-growth techniques as often as not generate some deviations in the device parameters which can be critical for the effects under study. In this paper, we show that the lateral modes of the coupled ridge lasers are affected by FIB [6] etching of the region between the two ridges, hence the technique is considered to allow post-processing fine-tuning of the

lateral optical modes without deterioration of the main laser parameters.

2. EXPERIMENT DETAILS

For our experiments, we have chosen an MBE-grown laser wafer with ten layers of InAs quantum dots (QDs) capped with InGaAs and separated by 35 nm GaAs which were sandwiched between 1.5 |m Al0.35Ga0.65As claddings. The coupled ridge waveguide consisted of two ridges placed at a distance of 4 |m formed by reactive-ion etching. One ridge had 10 |m width (active ridge), another ridge had 2.5 |m width (passive ridge). The laser wafer except the active ridge was covered by 100 nm Si3N4 that also provided electrical isolation of the passive ridges. The idea of using coupled passive waveguides is to promote fundamental mode lasing in broadened multi-mode active waveguide [7]. The Cr/Au metal layer with a thickness of ~0.5 |m was used as a p-contact. Reference single stripe devices were made with the same process.

All studied devices where mounted p-side up on copper heatsinks using indium solder. The FIB etching was performed in ultra-high vacuum with a cus-

1812

PAYUSOV et al.

Pulse 3 kA/cm2 300 ns at 10 kHz T ~ 200C

45

15 20 25 30 35 Position, um

40

45

Fig. 1. Schematic layout (top-view) of the FIB etched region. Single-ridge devices were etched using the same layout and depth.

tom-designed Ga+ FIB lithography system after the lasers were processed, tested and mounted. The ultrahigh vacuum prevents unwanted oxidation during the

etching process. Ion dose for etching was 1.25 x 1017 ions/cm2. The ion beam current was 500 pA. During the etching, metal and dielectric layers were completely removed. The width of the etched region was 3.5 |m (Fig. 1).

All measurements were carried out in a pulsed regime to avoid overheat. Light intensity distributions on the laser facet (near-fields) were measured using scanning diaphragm placed in the image plane of the microscope. Signal was detected with InGaAs photodiode connected to a boxcar averager. A monochro-mator was used to obtain near-fields at different wave-

Fig. 2. Near-field profiles of the single (upper half) and coupled-ridge (lower half) devices before and after FIB etching.

lengths and to measure spectra at different positions along the laser facet.

Both single and coupled-ridge devices with 1.1 mm long cavities demonstrated the threshold current density of ~250 A/cm2, the differential efficiency of ~60% and the lasing wavelength of ~1.26 |m, which corresponds to the lasing via the QD ground state. We did not detect considerable changes in the threshold currents after the FIB etching whatsoever. However, it resulted in a 10—20% decrease in the differential efficiency of the single-ridge devices.

c

(d

c

c

<D . N £)

cd cd

13

o £

Wavelength

-1258 nm

-----1253 nm

-------1246 nm

.......Ridge edges

Pulse 3 kA/cm2 300 ns at 10 kHz T ~ 200C

Active ridge

15

20

c

£

cd $

'm

C

<D

25 30 35 Position, um

Passive ridge

40

Near field position

-28.5 um

-----31.5 um

1240 1245 1250 1255 1260 (a) Wavelength, nm

1265

Pulse 3 kA/cm2 300 ns at 10 kHz T ~ 200C

n

£

a

,y

t is n e

15 20 25 30 35 Position, um

Passive ridge

40

Near field position

-25.5 um

-----30.5 um

1240 1245 1250 1255 (b) Wavelength, nm

1260

1265

Fig. 3. Spectrally resolved near-fields (upper half) and spatially resolved spectra (lower half) of unetched (a) and FIB etched (b) double-ridge devices.

Even though the single-ridge device demonstrates a single lobe near-field profile (Fig. 2, the solid line in the upper half) it operates on several lateral modes. It was confirmed by spectral and spectrally resolved near-field measurements. The FIB etching resulted in asymmetrical near-field profile (Fig. 2, dashed line in the upper half) due to changes in dielectric function in the etching area. Increased intensity of the optical field outside the ridge on the side opposite to the etching side leads to the high optical loss which is consistent with lower differential efficiency of the etched devices. Thus, FIB etching could be used to control the optical modes of the ridge lasers.

The coupled-ridge device (Fig. 2, lower half) demonstrates complex near-field profiles. Our numerical simulations suggest that it operates on several composite modes typical for two coupled waveguides. There are three distinct spectral lines in the lasing spectra (Fig. 3a). Lasing line at 1246 nm was not observed in single-ridge devices. Far-field profiles are distinct for each spectral line.

In contrast with the single-ridge devices, FIB etching did not affect the main laser parameters of the double-ridge devices but resulted in narrower near field pattern with lower intensity in the passive ridge (Fig. 1, dashed line in the lower half). It is seen that the near-field pattern narrowed down due to the suppressed lasing of the composite mode oscillating at 1246 nm (Fig. 3b). We attribute this to the reduced current spreading and partial etching of the residual cladding layer. It is consistent with a decrease in the emission intensity from the passive ridge and narrowed lasing spectrum. We believe that current spreading was suppressed due to ion-induced lattice defects generated during the FIB etching which, in turn, decrease the carrier mobility.

1813

3. CONCLUSIONS

We presented the approach for post-processing lateral mode tuning in coupled-ridge lasers using focused ion beam (FIB) etching. We showed experimentally that the FIB etching allows suppressing lateral modes and reducing current spreading effects without deterioration of the main laser parameters. Further practical implementation of the technique proposed requires additional experiments and optimization.

FUNDING

The reported study was funded by the Russian Foundation for Basic Research, project no. 19-32-90219.

CONFLICT OF INTERESTS The authors declare that they have no conflict of interest.

REFERENCES

1. E. Kapon, J. Katz, and A. Yariv, Opt. Lett. 9, 125 (1984).

2. R. Santos and H. Lamela, IEEE J. Quantum Electron. 45, 1490 (2009).

3. G. A. Wilson, R. K. DeFreez, and H. G. Winful, Opt. Commun. 82, 293 (1991).

4. N. Nair, E. Bochove, and Y. Braiman, Opt. Express 26, 20040 (2018).

5. D. Botez, Proc. SPIE 4533, 41 (2001).

6. C. A. Volkert and A. M. Minor, MRS Bull. 32, 389 (2007).

7. A. S. Payusov, Y. M. Shernyakov, M. M. Kulagina, A. A. Serin, M. V. Maximov, A. E. Zhukov, and N. Y. Gordeev, in Proceedings of the 2018 International Conference Laser Optics ICLO (IEEE, 2018), p 140.

IOP Semiconductor Science and Technology

Semicond. Sci. Technol. 36 (2020) 015008 (5pp) https://doi.org/10.1088/1361-6641/abc51d

Material gain of InGaAs/GaAs quantum well-dots

Nikita Yu Gordeev1©, Mikhail V Maximov2, Alexey S Payusov1, Artem A Serin1, Yuri M Shernyakov1, Sergey A Mintairov1, Nikolay A Kalyuzhnyy1, Alexey M Nadtochiy3 and Alexey E Zhukov3

1 Ioffe Institute, Saint-Petersburg, Russia

2 Alferov University, Saint-Petersburg, Russia

3 National Research University Higher School of Economics, Saint-Petersburg, Russia E-mail: [e-mail]

Received 4 September 2020, revised 12 October 2020 Accepted for publication 27 October 2020 Published 12 November 2020

Abstract

We study material gain of a novel type of quantum heterostructures of mixed (0D/2D) dimensionality referred to as quantum well-dots (QWDs). To evaluate the material gain in a broad range of injection currents (30-1200 A cm-2 per-layer) we studied edge-emitting lasers with various numbers of InGaAs/GaAs QWD layers in the active region and different waveguide designs. The dependence of the material gain on the current is well fitted by an empirical exponential equation similar to the one used for quantum dots (QDs) in the whole range of injection current densities. The estimated QWD transparency current-density-per-layer of 31 A cm-2 ranks between the values reported for quantum wells and QDs. The maximal QWD material gain as high as 1.1104 cm-1 has been measured. The results obtained confirm specific gain properties of InGaAs QWDs making them promising active media for lasers, superluminescence diodes and optical amplifiers.

Keywords: material gain, quantum well-dots, diode laser

(Some figures may appear in colour only in the online journal)

CrossMark

1. Introduction

Nowadays quantum wells (QWs) and, to a much lesser extent, quantum dots (QDs) dominate active regions used in commercial edge-emitting and surface-emitting laser diodes. Both types of active regions complement each other [1]. For instance, QDs allow designing GaAs-based laser emitting in the long-wavelength range (1.3xx ^m) not available for QWs. QDs can also be used for specific applications like singlephoton sources and microlasers. The difference in the properties and applications of QW and QD active regions is mainly defined by their 2D and 0D dimensionalities, respectively. We should note here that QWs and QDs have some specific disadvantages (in particular, need for stacking of several QD layers to overcome a low modal gain and a strong influence of nonra-diative recombination on the QW properties) [2], which stimulates the development of nanostructures having morphology and properties intermediate between QWs and QDs. Such

structures are proved to be technologically feasible and various implementations have been proposed and investigated. Among them are modulated QWs [3], quantum wire-on-well (WoW) [4] and well-island [5] structures.

We have recently developed an original type of InGaAs/GaAs nanostructures being referred to as quantum well-dots (QWDs). In [2] we have discussed in detail the growth technique used for InGaAs QWDs and reviewed experimental data on employing the QWD active regions for edge-emitting and microdisk lasers. The QWDs possessing certain assets of QWs and QDs represent neither QWs no QDs but dense arrays of carrier localizing indium-rich regions inside indium-depleted residual QWs. In general, reduced dimensionalities have substantially modified densities of states (DOS) of charge carriers and gain parameters, therefore. The common trend is that the material gain increases when the dimensionality is reduced [1]. It is also relevant for QWD-based structures. In our comparative study [6] we have

1361-6641/20/015008+5$33.00

1

© 2020 IOP Publishing Ltd Printed in the UK

shown that their density of states is higher than the QW DOS. Another QWD distinctive feature revealed from the experiments is that the density of states contains no pronounced excited-state levels. Both peculiarities are important for diode lasers as the high gain without saturation can be expected. For laser applications, a modal gain rather than the material gain is usually considered. However, material gain is a fundamental characteristic of active media and in contrast to the modal gain, it does not depend on the device design. In this paper, we focus on the QWD material gain and show that rather simple experimental data treatment allows comparing active regions of structures having radically different waveguide (WG) designs. We show that the QWD active region allows obtaining the material gain much higher than potentially available in QWs and QDs.

2. Modal and material gains

Active regions of diode lasers are usually evaluated by their modal gain, its dependence on the pumping current density to be precise. This dependence can be experimentally obtained using the fact that at threshold current the modal gain g is equal to the total laser optical loss. In their turn, the modal gain and the material gain G are related to each other through an optical confinement factor (OCF) r, i.e. g = TG. Since it is assumed that r is independent of the pumping, the dependencies of both g and G on the current density J can be expressed by the same equation. For QW lasers, a logarithmic function can be used [7]:

G = G0ln I J

J

g gsat

1 - exp —y

J

-Mfia^s

type A

type B

typeC

(1)

where G0 is the material gain coefficient and J0 is the transparency current density.

QD active media is much more complicated for theoretical and numerical treatment since there is an inhomogeneous distribution of dot sizes, shapes and compositions [8]. For this reason, a material gain as a figure of merit of QD lasers is rarely used. Nevertheless, it can be evaluated considering the QD layer as a QW with the thickness equivalent to the amount of the deposited material forming the QDs [9]. A ground-state modal gain in QD lasers as often as not is fitted by the empirical equation [10]:

(2)

where gsat is the saturation modal gain and y is a proportionality constant. We should note here that the modal gain being a product of the material gain and the OCF or gamma-factor only indirectly characterizes the active media. It is very difficult to compare lasers with the same active region and different cavity design (e.g. edge-emitting vs. vertically emitting), laser wafers having different WG designs, or even a different number of active layers since the modal gain is mostly affected by the confinement factor [9]. This problem, particularly critical for evaluating our QWD lasers containing a various number

Figure 1. Waveguide designs employed in the QWD laser wafers: narrow (type A), broad (type B) and CLOC (type C).

of layers [2], has encouraged us to make two explicit assumptions on the active region and treat the experimental data in a rather simple manner.

In our consideration, we assume the following. Firstly, in multilayer structures, the gamma-factors for all active QWD layers are equal, which means that r = NT 1, where r is the gamma-factor per layer, N is the number of active layers, r is the total gamma-factor. The approach is used for multi-QW structures [11]. This assumption is less relevant for laser structures where the total thickness of the active region is close to the WG core thickness, however, it is not the case for QWD structures under study. The second assumption is that in N-layered active region all the layers are pumped uniformly so the total current density simply scales with the current density of the individual layers by a factor of N. Under these assumptions, it is clear that if one active layer at the current density of J produces a material gain of G, then an ensemble of N active layers produces the same material gain of G at the current density of NJ [11]. It means that dependencies of material gain on the pumping current density for lasers with different designs can be compared by normalizing the current density by the number of active layers.

3. Laser wafer designs

For our studies, we have selected a set of QWD-based laser wafers having ten diverse designs. The designs are different in terms of the WG and the number of the active layers. The latter varies from 1 to 10. In all the laser wafers the active layers represented QWDs emitting near 1.08 ¡j,m that were formed by the deposition of eight monolayers of In0.4Gao.6As at a specific growth regime by metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE). Thus, the active layers in all the wafers are identical in the sense of composition, thickness and other parameters affecting optical gain. In the multilayered active regions, the QWDs are separated with 40 nm-thick GaAs spacers. For the laser wafers, we have used three transverse GaAs WG designs (figure 1): narrow (type A), broad (type B) and coupled large optical cavity (CLOC) one (type C). The CLOC WG [12] allows the effective suppressing of high-order transverse modes in broadened WGs. The laser wafers have also difference in Al fraction of the AlGaAs claddings. We have used two Al compositions, namely 25% and 39%. The laser wafer essential distinctive features are summarized in table 1. For each laser wafer, we have calculated the total OCF. To do this we have employed a technique used for QD lasers [9]

Table 1. Key differences of the QWD laser wafers investigated.

WG Cladding

Wafer thickness, WG AlxGaj-xAs Total

design N ¡m type x, % OCF, %

#1 1 0.45 A 25 0.45

#2 1 0.78 B 39 0.37

#3 2 0.45 A 25 0.9

#4 2 0.78 B 39 0.75

#5 2 1.34 C 25 0.48

#6 4 0.44 A 25 1.8

#7 5 0.78 B 39 1.9

#8 5 1.36 C 25 0.75

#9 8 0.43 A 25 3.6

#10 10 0.8 B 39 3.4

1750

CM 1500

E 1250 ^ 1000

. 750 £

—J 500 250

E

c 1060 <<

1020 2.00 1.75 1.50 1.25 1.00

"1-1-1-1-r

V

/

„ excluded from consideration

a = 0.7 cm , ri. = 79 c

i N

2000 L nm

Figure 2. Cavity length dependence of the threshold current density, lasing wavelength and reciprocal differential quantum efficiency for wafer #2 based on one QWD layer. Data points corresponding to higher-energy states lasing are excluded from the consideration.

4. Experiment results and discussion

For all the laser diodes, light-current dependencies and spectra were measured in a pulsed (500 ns, 5 kHz) mode at room temperature. For each wafer, we have plotted the dependencies of threshold current density (Jth), lasing wavelength (A) and reciprocal differential quantum efficiency (1/nD) on the cavity length. Having applied the well-known technique [9] we have extracted the internal quantum efficiencies (n) and the internal optical losses (a,) using a linear fit of the curves. For example, figure 2 shows a plot set for wafer #2 and the parameters obtained. The other wafers have been tested in the same way. We have excluded from our consideration the data points, which correspond to laser emission via higher-energy states (shorter than 1040 nm). For all the lasers operating via the QWD ground-state, we have calculated the modal gain using the data obtained and the output loss aout determined from the well-known equation aout = ln (0.3-1) L-1, where 0.3 is the as-cleaved facet reflectivity and L is the cavity length. Depending on the wafer, the highest obtained modal gain is 48-55 cm-1. Then using the data on the confinement factors, we have determined the material gain. For almost 90 laser diode samples processed from the wafers under study, figure 3 shows the calculated material gain at the threshold as a function of threshold current density normalized by the number of active layers N. We have indicated the injection current ranges depending on N. The lasers with lower N tend to have higher current density per layer and vice versa.

A pronounce grouping of all experimental data points implies that the QWD material gain against the injection current dependence can be described by a certain relationship. However, the gain-current relationship cannot be fitted with the logarithmic equation used for QWs (1). We have succeeded in fitting the data using a slightly modified empirical QD equation (2) in the form of:

G = Gs;

( j* - J*\ 1 - expl-X~lf)

(3)

considering the QWD layers as QW-like layers with a uniform thickness of 8 ml (^2.4 nm). The latter corresponds to the amount of In0 4Gao.6As material forming the layers. The gamma-factors for the wafers under study vary from 0.37% to 3.6%. For the wafers with multilayer QWD active regions, we have additionally estimated the gamma-factors for individual QWD layers. Within one wafer the ratio of the maximal gamma-factor to the minimal one does not exceed 1.05, which complies well with our assumption on equal confinement factors.

The laser wafers were grown by MOVPE on «-(100) GaAs substrates misoriented on 6° toward [111] direction [2]. The wafers were processed into 100 ¡j,m broad-area lasers having the cavity lengths of 0.25-4 mm. The laser samples were mounted p-side down onto copper heatsinks with indium solder to prevent overheating and improve current spreading for long (>3 mm) devices. No facet coatings were used.

where J* is the current density per QWD layer, J is the transparency current density per layer, Gsat is the saturation material gain, x is a proportionality constant, a physical meaning of which is beyond the scope of this paper. For the data obtained the fitting parameters are Gsat= 1.5104 cm-1, J= 31A cm-2, x= 0.048. The curve fits very well all the experimental data in the current density range of 30-1200 A cm-2 in contrast to the commonly used technique evaluating modal gain in much smaller current density ranges [9]. It can be used to design optimal QWD active regions in different photonic devices (edge-emitting lasers, superluminescence diodes, optical amplifiers).

The QWD transparency current density exceeds the values reported for InGaAs QDs [9] but lower in comparison with the ones for InGaAs/GaAs QW lasers (wavelength 1060 nm) [13]. The QWD saturation material gain of 1.5104 cm-1 is much higher than 3.6103 cm-1 calculated from the experimental data for state-of-the-art QD lasers [9]. We note here that the

1 QWD 2QWD

Figure 3. Dependences of the material gain on the current density per layer for the set of QWD lasers, the reference QW and QD lasers and InGaAs QW lasers over Ref [13]. The numbers of QWD layers are bracketed. The fitting curves are dashed.

QWDs cannot be compared with QWs by Gsat since the QW-related equation (1) does not have such a parameter. To illustrate the difference in the gain-current behavior between QDs, QWDs and QWs, we have put in figure 3 our experimental data for InGaAs/GaAs double-QW lasers (wavelength 980 nm) and InAs/GaAs 5-QD-layer lasers (wavelength ^1300 nm). We have measured the laser samples in the same manner as the QWD ones. Having fitted the obtained QW and QD data by the logarithmic and exponential curves, respectively, we have estimated the transparency current density per layer of 100 A cm"2 for the QWs and 8 A cm"2 for the qds. To make a comparison more representative we have shown in figure 3 the gain-current curve plotted over the experimental results reported for InGaAs QW lasers emitting at 1060 nm [13]. The QWD active media rank between QWs and QDs in terms of the transparency current density while the experimentally obtained maximal QWD material gain of 1.1104 cm"1 significantly exceeds both QW and QD ones. The origin of this effect would be a subject for further investigations both theoretical and experimental.

The QWD gain-current dependence follows the exponential function typical for QD active media but, in contrast to them, it shows no gain saturation. This effect has been previously observed in the QWD spectral investigations [6]. Thus, we can speculate that QWD can be described as a high-dense array of extremely inhomogeneously broadened QDs.

5. Conclusions

To conclude, we have derived the material gain of InGaAs/GaAs quantum-well-dots emitting at the wavelength of ^1080 nm from the experimental data obtained by measuring the set of edge-emitting lasers with different WG design. The number of QWD layers in the active regions varies from 1 to 10. We have fitted the dependence of the material gain on the current-density-per-layer in the whole current density range of

30-1200 A cm"2 by an empirical exponential equation similar to the one used for QDs. The estimated QWD transparency current-density-per-layer of 31 A cm"2 ranks between the values reported for QWs and QDs while the estimated saturation material gain of 1.5104 cm"1 significantly exceeds QD one. The maximal measured material gain is as high as 1.1 104 cm"1. The QWD gain-current dependence, in contrast to QDs and QWs, shows no gain saturation in the test current density range. The results obtained confirm specific gain properties of InGaAs QWDs making them promising active media for lasers. The ability to stack several identical QWD layers and knowledge of the gain-current function allows designing a variety of active regions having for instance high or low modal gain depending on the particular device requirements. Taking into account the unique properties of QWDs we expect some other exciting features of QWD lasers in particular related to differential gain and alpha-factor as well as other active material parameters important for laser applications.

Acknowledgments

This work was supported in different parts by the Russian Foundation for Basic Research (project No 18-02-01123) and The Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (project No 0791-2020-0002). AMN and AEZ acknowledge the support from the Basic Research Program of the National Research University Higher School of Economics.

ORCID iD

Nikita Yu Gordeev © https://orcid.org/0000-0002-9919-4794

References

[1] Bimberg D and Pohl U W 2011 Quantum dots: promises and

accomplishments Mater. Today 14 388-97

[2] Maximov M V et al 2020 Light emitting devices based on

quantum well-dots Appl. Sci. 10 1038

[3] Martini S, Quivy A, Ugarte D, Lange C, Richter W and

Tokranov V 2001 Step bunching in InGaAs/GaAs quantum wells grown by molecular beam epitaxy on GaAs(001) vicinal surfaces J. Cryst. Growth 227-8 46-50

[4] Sugiyama M, Fujii H, Katoh T, Toprasertpong K,

Sodabanlu H, Watanabe K, Alonso-Alvarez D, Ekins-Daukes N J and Nakano Y 2016 Quantum wire-on-well (WoW) cell with long carrier lifetime for efficient carrier transport Prog. Photovolt. Res. Appl. 24 1606-14

[5] Yu Q, Li X, Jia Y, Lu W, Zheng M, Zhang X, Ning Y and Wu J

2018 InGaAs-based well-island composite quantum-confined structure with superwide and uniform gain distribution for great enhancement of semiconductor laser performance ACS Photon. 5 4896-902

[6] Maximov M, Gordeev N, Payusov A, Shernyakov Y,

Mintairov S, Kalyuzhnyy N, Kulagina M, Nadtochiy A, Nevedomskiy V and Zhukov A 2020 Modification of InGaAs/GaAs heterostructure density of states and optical

gain using hybrid quantum well-dots Laser Phys. Lett. 17 095801

[7] Makino T 1996 Analytical formulas for the optical gain

of quantum wells IEEE J. Quantum Electron. 32 493-501

[8] Blood P 2009 Gain and recombination in quantum dot lasers

IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 15 808-18

[9] Salhi A, Fortunato L, Martiradonna L, Todaro M T, Cingolani

R, Passaseo A and Vittorio M D 2007 High efficiency and high modal gain InAs/InGaAs/GaAs quantum dot lasers emitting at 1300 nm Semicond. Sci. Technol. 22 396-8

[10] Zhukov A E et al 1999 Gain characteristics of quantum dot injection lasers Semicond. Sci. Technol. 14 118-23.

[11] Ilroy P M, Kurobe A and Uematsu Y 1985 Analysis and

application of theoretical gain curves to the design of multi-quantum-well lasers IEEE J. Quantum Electron. 21 1958-63

[12] Gordeev N Y, Payusov A S, Shernyakov Y M, Mintairov S A,

Kalyuzhnyy N A, Kulagina M M and Maximov M V 2015 Transverse single-mode edge-emitting lasers based on coupled waveguides Opt. Lett. 40 2150

[13] Wan C T, Y K S, Yu H C, Huang C Y, W H L, Chen W C,

Tseng H C, Horng J B, Hu C and Tsau S 2009 Low transparency current density and low internal loss of 1060-nm InGaas laser with GaAsP-GaAs superlattices as strain-compensated layer IEEE Photonics Technol. Lett. 21 1474-6

Lateral mode behaviour in diode lasers based on coupled ridges

A A Epanchinova1, A S Payusov2, G O Kornyshov3, A A Serin2, M M Kulagina2, A E Zhukov4, N Yu Gordeev2 and M V Maximov3

'Peter the Great St Petersburg Polytechnic University, 29 Polytechnicheskaya, St Petersburg, 195251, Russia

2Ioffe Institute, 26 Polytechnicheskaya, St Petersburg 194021, Russia 3St. Petersburg Academic University, 8/3 Khlopina, St Petersburg 194021, Russia 4National Research University Higher School of Economics, 16 Soyuza Pechatnikov, 190008 St Petersburg, Russia

e-mail: pelirrojabrujal @gmail.com

Abstract. We present a study of diode lasers with two identical optically coupled ridges. Two coupled ridges were made gradually divergent to a distance of 50 ^m which allowed creating three electrically isolated sections within a single laser. We carried out numerical simulations of the electromagnetic modes in the coupled ridge waveguide and calculated far-field patterns for each mode. The results are in good agreement with the experimental data. We have found that current spreading provided unwanted optical gain in the active region in between ridges and dramatically changed the structure of the lasing modes. The obtained numerical and experimental results can be used to design twin-ridge diode lasers able to operate in mode-locking regimes.

1. Introduction

Coupled-ridge semiconductor lasers offer many interesting effects for studying such as optical bistability, chaotic mode behavior [1], mode selectivity [2] and the modulation rates higher than relaxation oscillation frequency [3,4]. Some of these effects have been successfully utilized to improve device characteristics. For example, phase-locked arrays of the optically coupled ridges allow increasing output optical power in a spatially single-mode regime due to the broadened lateral waveguide [5]. In twin-ridge lasers, each ridge is designed as a single-mode one. Single-mode lasers having two electrically isolated sections (gain section and absorber) and operating in a mode-locking regime are used to produce trains of short light pulses [6]. The pulse parameters (repetition frequency, duration) are defined by the laser cavity. In the case of two laterally coupled mode-locked lasers, chaotic mode hopping can be expected without external modulation, in contrast with twin-ridge lasers [1] However, the absorber sections should be placed at a distance larger than 15 ^m [1] to provide their independent biasing and to suppress their coupling. This can be achieved with fabricating gradually diverging ridges. Our work was aimed to fabricate and characterize a prototype of twin-ridge diode lasers able to operate in mode-locking regimes.

I Content from this work may be used under the terms of the Creative Commons Attribution 3.0 licence. Any further distribution K^Hi^H of this work must maintain attribution to the author(s) and the title of the work, journal citation and DOI. Published under licence by IOP Publishing Ltd 1

2. Experiment details

The laser heterostructure was grown on a GaAs (100) substrate misoriented on 6° toward (111) using a metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE). The active region contains 4 layers of quantum well dots (QWDs) each of those was formed by the deposition of 8 monolayers (ML) of In0.4Ga0.6As [7]. The QWD layers were separated with 40 nm thick GaAs layers and placed in the center of the 400 nm thick GaAs waveguide. The waveguide was sandwiched between 1 ^m and 1.4 ^m Al0.25Ga0.75As p- and n-claddings respectively.