Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Процесс совершенствования систем оптической обработки, передачи и хранения информации требует соодания полупроводниковых источников лаоерного излучения с оадан-ными спектральными и динамическими характеристиками. Большими перспективами с этой точки зрения обладают лазерные гетерострукту-ры с квантовыми ямами разной ширины или состава, которые получили название асимметричных. Изменение конфигурации асимметричных квантоворазмерных гетероструктур — это еще один способ "зонной" инженерии по управлению спектральными, мощностными и динамическими характеристиками лазеров. Многослойные структуры открывают новые возможности для интегральной оптоэлектронихи. Существенный вклад в свойства таких объектов наряду с хвантоворазмерными эффектами вносят нелинейные оптические явления. Актуальность исследования неравновесных электронно-оптических процессов в асимметричных квантоворазмерных гетерострухтурах обусловлена тем, что они являются основой для разработки новых уникальных приборов полупроводниковой квантовой электроники, создания аналогов существующих функциональных элементов: бистабильных лазерных диодов и генераторов регулярных импульсов излучения с технологически более удобной планарной конструкцией.
Республика Беларусь имеет большой научный потенциал, широко развитую сеть полупроводниковых, радиоэлектронных и оптико-электронных производств, уникальное оптическое приборостроение. Развитие наукоемких производств является первоочередной задачей республики, не имеющей собственных сырьевых ресурсов. Однако потребности республики в изделиях полупроводниковой квантовой электроники для лазерных аудиосистем и волоконно-оптических линий связи до сих пор удовлетворяются поставками из России (НПО "Полюс" и НИИ "Волга"). Анализ тенденций развития квантовой электроники указывает на приоритетный характер работ в области полупроводникоьых лазеров. Сдерживание работ в данном направлении может привести к значительному отставанию Беларуси от передовых стран мирового сообщества. Тем более, что уровень развития теоретических знаний об объекте исследования, подтверждаемых на практике, достаточно высок и позволяет эффективно использовать компьютерное моделирование как способ разработки и проектирования новых лазерных структур, не требующий больших капитальных затрат.
Настоящее исследование посвящено изучению динамических процессов в инжекционных гетеролазерах и ориентированно на выявление способов управления характеристиками генерируемого излучения, определения оптимальных конфигураций лазерных гетероструктур. Представленные в работе результаты позволяют сформулировать основные принципы создания полупроводниковых лазеров с новыми функциональными возможностями.
Связь работы с научными программами. Данная диссертационная работа соответствует научному направлению кафедры квантовой радиофизики и оптоэлектроники Белгосуниверситета и выполнялась в рамках научно-исследовательских тем Фонда фундаментальных исследований РБ "Разработка и исследование программируемых полупроводниковых лазеров с дискретной перестройкой параметров на основе синтезируемыз воздействий", "Разработка физических принципов создания нанораз-мерных полупроводниковых элементов функциональной электроники" и "Управление электронно-оптическими процессами в лазерных нанораз-мерных системах", а также тем Министерства образования РБ "Компьютерное моделирование и анализ физических процессов в квантово-размерных и интегральных инжекционных лазерах" и "Анализ неравно весных электронных и оптических процессов в полупроводниковых источниках излучения".
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы было выявление оакономерностей изменения динамических и мощностныэ характеристик излучения полупроводниковых инжекционных лазеров, і том числе квантоворазмерных, при вариации параметров активной обпа сти, и предложение эффективных способов управления режимами работь лазерных диодов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
изучение переходных процессов генерации излучения в одномо довом инжекционном лазере и лазере с насыщающимся поглотителем і резонаторе с учетом процессов нелинейного усиления;
развитие модели иолучательных переходов без правила отбора пі волновому вектору электрона применительно к структурам пониженно] размерности;
расчет волноводных характеристик асимметричных квантово размерных гетероструктур и определение параметров оптического огра ничения квантоворазмерных слоев;
исследование процессов инжекции в асимметричных полупровор никовых гетероструктурах с квантовыми ямами при неоднородном воо
буждении;
анализ динамики генерации излучения в хвантовораомерных ге-тероструктурах с учетом нелинейной электронно-оптической связи мг"гіду различными квантовыми ямами и определение оптимальных параметров активной области, таких, как конфигурация запрещенной зоны, степень легирования и толщины активных и барьерных слоев, для реализации режимов бистабильности мощности излучения и генерации регулярных импульсов излучения на нескольких далекоразнесенных длинах волн;
определение степени влияния нелинейного усиления на динамику многочастотной генерации излучения в асимметричных квантоворазмер-ных гетероструктурах.
Научная новизна полученных результатов.
1. Получены аналитические выражения для амплитуды и длительно
сти первого релаксационного импульса излучения в одномодовом инжек-
ционном лазере с учетом нелинейного усиления, и установлена возмож
ность однозначного определения по характеристикам переходного про
цесса параметров активной области лазерного диода, таких, ках диф
ференциальное усиление, время жизни фотонов в резонаторе и фактор
нелинейного усиления.
-
Исследовано влияние нелинейного поглощения в области насыщающегося поглотителя на динамику генерации лазера с модуляцией добротности. Показано, что данный эффект приводит к увеличению амплитуды и уменьшению длительности импульсов излучения, а также расширяет диапазон токов, при которых существуют самоподдерживающиеся пульсации излучения.
-
Предложены физическая и математическая модели иэлучатель-ных переходов без правила отбора по волновому вектору электрона в структурах пониженной размерности. Показано, что вероятность оптических переходов зависит от толщины квантоворазмерного слоя таким образом, что при уменьшении ширины квантовой ямы вплоть до размеров, сравнимых с эффективным боровским радиусом примеси, плотность тока инверсии не возрастает, как считалось ранее, а с стается практически постоянной.
4. В рамках теории нелинейного усиления вследствие нагрева носи
телей рассчитаны параметры насьпцешія усиления в квантоворазмерных
гетеролаоерах, генерирующих на нескольких далекоразнесенных длинах
волн. Показано, что процесс нагрева носителей ведет к эффективному
взаимодействию генерирующих мод. На основе учета нелинейных эф
фектов взаимодействия генерирующих мод дано объяснение известных
из литературы экспериментальных данных по динамике двухчастотнои генерации в асимметричных гетероструктурах с двумя квантовыми ямами, когда после подачи тока накачки при наличии релаксационных колеба-шш интенсивности более коротковолнового излучения процесс развития генерации более длинноволнового излучения происходит практически без релаксационных пульсаций.
5. Изучены особенности процессов инжекции в многослойных асимметричных гетероструктурах при неоднородном возбуждении квантовых ям. Найдено, что дифференциальная частота выбросов носителей из квантовой ямы может во много раз превышать величину, обратную времени жизни носителей при спонтанных переходах. Определены условия жесткого включения генерации и существования самоподдерживающихся пульсаций излучения на нескольких длинах волн в асимметричных кван-товораэмерных гетероструктурах. Показано, что инжекционная связь между квантовыми ямами, заключающаяся в зависимости коэффициента инжекции в квантовую яму от ее заселенности и уровня возбуждения соседних квантоворазмерных слоев, препятствует выполнению условия жесткого включения генерации и способствует реализации самоподдерживающихся пульсаций излучения.
Практическая значимость работы.
-
Получены аналитические выражения для амплитуды и длительности первого релаксационного импульса излучения в одномодовом ин-жехционном лазере с учетом нелинейного усиления, которые могут быть использованы в инженерных расчетах при проектировании и оптимизации быстродействующих инжекционных лазеров, а также при экспериментальном определении параметров лазерного диода, таких, как время жизни фотонов в резонаторе и фактор нелинейного усиления.
-
Использование разработанной модели изпучательных переходов без правила отбора по волновому вектору электрона позволяет определить пороговые и спектральные характеристики квантоворазмерных лазеров с легированной активной областью в зависимости от ширины квантовой ямы.
-
Предложены новые элементы функциональной оптоэлектроники: бистабильный лазерный излучатель и генератор регулярных импульсов излучения на нескольких далехораэнесенных длинах волн.
Практическая значимость полученных результатов подтверждается двумя патентами на изобретения.
Экономическая значимость подученных результатов. Проведено дальнейшее совершенствование топологии лазерных кванто-
5 воразмерных гетероструктур, отличающихся малым энергопотреблением и невысокой стоимостью по сравнению с другими типами лазеров. Предложенные элементы функциональной оптоэлехтроники - бистабил*-ные лазерные источники и генераторы регулярных импульсов излучения - могут быть изготовлены с использованием планарной технологии, отличающейся высокой надежностью и воспроизводимостью параметров лазерных диодов.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Аналитические выражения, полученные при решении системы скоростных уравнений для носителей заряда и фотонов с учетом нелинейного усиления и связывающие амплитуду и длительность релаксационных импульсов излучения с параметрами лазерного диода.
-
В полупроводниковых лазерах с насыщающимся поглотителем эффекты выгорания пространственных и спектральных провалов и процессы динамического нагрева носителей тока светом приводят к насыщению поглощения при неизменной концентрации неравновесных носителей, что увеличивает амплитуду и уменьшает длительность импульсов генерации, а также расширяет диапазон tokoBj при которых существуют самоподдерживающиеся пульсации излучения.
3. Вероятность оптических переходов в силънолегированной актив
ной области, полученная с учетом эффекта размерного квантования для
волновых функций носителей заряда, локализованных на примесях, начи
нает изменяться при уменьшении ширины активной области до размеров
на порядок превышающих эффективный боровский радиус примеси, а при
дальнейшем уменьшешпі размеров становится прямо пропорциональной
ширине квантовой ямы.
4. Динамическая модель инжекционных лазеров на асимметрич
ных квантоворазмерных гетероструктурах с неоднородным возбуждени
ем активных слоев, учитывающая процессы баллистического переноса и
туннелироваїпія носителей тока через барьерные слои, нагрев носителей
излучением на нескольких далекоразнесенных длинах волн и оптическую
связь между квантовыми ямами.
5. Режимы генераіппі регулярных импульсов излучения на несколь
ких длинах волн или бистабильного переключения мощности излучения
могут быть реализованы в многослойных асимметричных гетерострук
турах, в которых активные и пассивные области выполнены в виде нано-
размерных слоев, разделенных для достижения неоднородного возбужде
ния легированными широкозонными барьерными областями.
Личный вклад соискателя. Все приведенные в диссертации реоуль-
таты получены лично соискателем и проанализированы вместе с научным руководителем и научным консультантом. В совместной работе с В.Г.Пикуликом последний выполнил экспериментальную часть по исследованию дішамики генерации в инжекционных лазерах. Другие соавторы работ занимались,изучением вопросов, не вошедших в диссертацию.
Апробация результатов диссертации. Основные результаты исследования, представленні : в диссертации, докладывались и обсуждались на международных и республиканских конференциях и симпозиумах: VII Международной конференции "Оптика Лазеров" (С.-Петербург, 1993); SPIE's Int. Symp. (San Diego, 1993), (Lindau, 1994), (San Jose, 1995,1997); I, II, HI Международных конференциях no лазерной физики и спектроскопии (Гродно, 1993,1995,1997); II Международном симпозиуме "Физические принципы и методы оптической обработки информации" (Гродно, 1993); III ежегодном семинаре "Нелинейные явления в сложных системах" (Полоцк, 1994); Int. Conf. Nonlinear processes in complex systems (Minsk, 1995); Adriatico Research Conf. on Ultrafast Phenomena and Applications (Trieste, 1994); Hint. Conf. Nanomeeting'95(Minsk, 1995); Conf. on Semiconductor and Integrated Optoelectronics (Cardiff, 1996); AeroSense'96 Symposium, Conf. "Photonic Component Engineering and Applications"^(Orlando, 1996); Conf. on Lasers and Electro-Optics, (Anaheim, 1996); II конференции "HOMATEX-96" (Минск, 1996); Межгосударственной научно-технической конференции по квантовой электронике (Минск, 1996); 10th Meeting on Optical Engineering in Israel (Jerusalem, 1997); 2 Белорусско-Российском семинаре "Полупроводниковые лазеры и системы на их основе" (Минск, 1997).
Опубликованность результатов. По результатам выполненных исследований опубликовано 35 научных работ, в том числе 18 статей, 2 препринта, 12 тезисов докладов, получено 2 патента на изобретения, издано 1 учебное пособие.
Объем и структура работы. Работа изложена на 131 листе машинописного текста, содержит 55 рисунков, 3 таблицы и список цитируемой литературы, включающий 146 наименований. Работа состоит из введения, литературного обзора (глава 1), теоретической части (главы 2-4), выводов, списка основных публикаций по теме диссертации,списка использованной литературы.
