Введение к работе
Перспективность инжекционных гетеролазеров с квантовыми ямами была осознана около четверти века тому назад, см., например, [1,2] и ссылки там. Однако до сих пор широкие возможности этих замечательных генераторов когерентного света остаются далеко не исчерпанными, появляются всё новые и новые их модификации, продолжает изучаться глубокая физика происходящих в них разнообразных явлений. В техническом отношении к настоящему времени достигнут громадный прогресс в создании полупроводниковых лазеров указанного типа. Освоен диапазон длин волн от ультрафиолетовой до дальней инфракрасной области спектра, получена мощность излучения до нескольких ватт в непрерывном режиме с активной полоски сечением порядка 1x10 мкм2. Эффективность преобразования электрической энергии в оптическую в лазерных диодах доходит до 10-70 % (в зависимости от диапазона длин волн) [3-5]. Созданы одномерные и двумерные решётки лазерных диодов с киловаттным уровнем выходной мощности [6]. Такие решётки, в частности, используются для накачки твёрдотельных лазеров вместо импульсных ламп и совершенно изменяют параметры этих лазеров в отношении габаритов, веса и экономичности.
Почему в подобных системах лазерные диоды приходится использовать как источники накачки твёрдотельных лазеров, а не как непосредственные источники когерентного излучения? Дело в том, что излучение лазерного диода, особенно мощного, имеет плохую временную и пространственную когерентность. Лазерные диоды обладают большой шириной спектральной линии (3-5 нм для мощных лазеров и 0,3-0,5 нм для маломощных одномодовых лазеров с селекцией мод, осуществляемой дифракционной решёткой), а распределение интенсивности в пучке излучения отличается от гауссова, что не даёт возможности тонкой фокусировки пучка [3, 6].
Эти факты не позволяют применять имеющиеся лазерные диоды для многих практически важных приложений. Было проведено довольно много исследований, направленных на разработку способов улучшения качества излучения лазерных диодов, однако, как правило, небольшие улучшения качества излучения сопровождались большими потерями мощности.
В целом можно констатировать необходимость и актуальность дальнейших исследований, особенно экспериментальных, по выяснению путей управления параметрами генерации и улучшения спектрально-угловых характеристик излучения инжекционных гетеролазеров. Теоретические идеи в этом направлении неоднократно высказываются, в том числе нашими соавторами О.Л. Антиповым и Вл.В. Кочаровским из ИПФ РАН, А.А. Беляниным и В.В. Коча-ровским из Техасского А&М университета, А.В. Сычуговым из ИОФ РАН, В.Я. Алёшкиным из ИФМ РАН, А.А. Афоненкр и? Минского государственного университета и др.
і ' Kjm т
Настоящая диссертация посвящена практической разработке и экспериментальной проверке некоторых из этих идей. С технологической и конструктивной точек зрения при этом речь идёт о комбинировании расположения квантовых ям в волноводе гетеролазера и о создании специальных резонаторов, селектирующих генерируемые моды и обеспечивающих нужную степень их взаимодействия. Примерами селектирующих резонаторов являются так называемые С3 составные резонаторы и резонаторы с внешним волноводно-решёточным зеркалом [7, 8]. С физической точки зрения центральными здесь являются проблемы спектральной и пространственной конкуренции мод, в том числе за носители (электроны и дырки, находящиеся под действием внешнего поля накачки и поля мод), и соответствующие нелинейные эффекты, связанные с самосогласованной динамикой носителей и комбинационным взаимодействием мод.
Сюда же примыкают и непосредственно нелинейно-оптические эффекты, обусловленные внутрирезонаторным смешиванием мод и сопровождающиеся обогащением спектра излучения гетеролазера. Так, благодаря квадратично-нелинейным оптическим свойствам полупроводника, как известно, при прохождении оптической волны высокой интенсивности через волновод в гетерост-руктуре должно появляться излучение удвоенной частоты. Если же в гетерост-руктуре взаимодействуют две волны с частотами со і и со2, то кроме волн с частотами 2(0| и 2ct)2 должны наблюдаться волны на суммарной и разностной частотах (со, + со2 и С0| - Иг). Для такого преобразования частот необходимо не только выполнение условия фазового синхронизма, но и достижение большой плотности излучения в смешиваемых волнах. Последнее условие естественным образом выполняется в волноводе гетеролазера, скажем, имеющем сечение 1x10 мкм2 и обеспечивающем (при мощности генерации 1-5 Вт) интенсивность оптического излучения (1-5) х 107 Вт/см2, что близко к порогу разрушения материала и достаточно для наблюдения внутрирезонаторных нелинейных эффектов; см., например, [9-13]. В этой связи следует отметить и наблюдающийся в последнее время повышенный интерес к проблеме двух- и многочастотной генерации в инжекционных лазерах с асимметричным расположением различных квантовых ям в волноводном слое (см., например, [14-16] и указанную там литературу).
Если извлечение излучения суммарной частоты затруднено сильным поглощением коротковолнового излучения материалом лазерной структуры, то получение излучения разностной частоты не ограничено этим обстоятельством и позволило бы создать перестраиваемые источники терагерцового или дальнего инфракрасного излучения, работающие при комнатной температуре, - к этому в настоящее время стремятся многие исследователи [16-23]. В то же время измерение "терагерцового излучения малой мощности представляет сложную задачу (а повышению этой мощности препятствует, в частности, слож-
ность удовлетворения условиям фазового синхронизма). Экспериментальные работы в данном направлении стали появляться только в последнее время (см., например, [9, 13, 23-29]), и представленные в диссертации исследования двух-частотной генерации и взаимодействия мод в гетеролазерах в этом отношении тоже актуальны.
Цель работы.
Целью настоящей работы было экспериментальное выявление новых возможностей управления спектрально-угловыми свойствами излучения инжек-ционных гетеролазеров с различным расположением квантовых ям в волно-водном слое и с различными типами резонаторов, а также исследование особенностей конкуренции мод и нелинейно-оптических эффектов, возникающих в предложенных оригинальных лазерах.
Задачи исследования.
Для достижения этой цели была проведена серия экспериментальных работ с InGaAs/GaAs/InGaP гетеролазерами, в которой были поставлены и решены следующие основные задачи:
-
разработка и исследование компактных гетеролазеров с выводом излучения через подложку и управлением его спектрально-угловыми параметрами за счёт внешнего волноводно-решёточного зеркала (ВРЗ);
-
создание и изучение свойств двухчастотных полосковых гетеролазеров с симметричным и с асимметричным расположением различных квантовых ям в волноводе;
-
получение и спектрально-угловой анализ излучения вторых и суммарной гармоник в двухчастотных лазерах с составным резонатором;
-
разработка и достижение генерации в самостартующих гетеролазерах на динамических решётках, формируемых в самопересекающейся активной области (СПАО).
Объектом исследования служили инжекционные InGaAs/GaAsAnGaP лазеры оригинальной конструкции, созданные в НИФТИ при ННГУ им. Н.И. Лобачевского на основе гетероструктур, выращенных в группе эпитаксиальной технологии (ГЭТ), возглавляемой Б.Н. Звонковым.
Предметом исследования являлись параметры генерации этих лазеров, прежде всего, спектрально-угловые характеристики их излучения, а также ответственные за них физические явления, связанные со спектральной и пространственной конкуренцией генерируемых мод и нелинейно-оптическими эффектами, обусловленными квадратичной нелинейностью диэлектрической проницаемости полупроводниковой решётки.
Методы исследования.
В работе использовались апробированные методы исследования, прежде всего, снятие вольт-амперных и ватт-амперных характеристик лазеров, измерение спектра и динамических параметров их излучения, определение его диаграммы направленности и поляризации и т.п.
Научная новизна.
Все полученные в диссертации экспериментальные результаты являются оригинальными и показывают, что комбинирование квантовых ям и их специальное расположение в волноводе, а также использование связанных резонаторов или дополнение их селективными элементами открывает широкие возможности управления свойствами гетеролазеров и изменения спектральных и угловых параметров их излучения. Эти возможности обусловлены обнаруженными и исследованными в диссертации физическими закономерностями, которые кратко сформулированы ниже и составляют научную новизну работы.
Научная и практическая значимость.
Продемонстрированная реализация указанных возможностей в ряде конкретных схем гетеролазеров определяет практическую ценность работы. В целом можно утверждать, что проведённые эксперименты указывают новые пути эффективного управления спектром генерации и диаграммой направленности инжекционных гетеролазеров. Эти пути основаны на известных общих принципах, а именно, на 1) выводе излучения через подложку, связанную с внешним селективным элементом - ВРЗ; 2) селекцией мод за счёт специального расположения квантовых ям в волноводе; 3) использовании составных резонаторов; 4) применении динамических голографических решёток, формируемых внутри активной области и заменяющих зеркала на сколах лазерного чипа. Научная значимость работы состоит во вновь предложенных оригинальных конструкциях, позволяющих воплотить эти принципы в реальных устройствах, и детальном экспериментальном изучении новых гетеролазеров.
Основные положения, выносимые на защиту:
а) в полосковых гетеролазерах с выходом излучения через подложку воз
можно эффективное подавление широкого луча за счёт предложенного комби
нированного покрытия торцов и спектрально-угловая перестройка излучения с
помощью оригинально присоединённого волноводно-решёточного зеркала;
б) в двухчастотных полосковых гетеролазерах изменение расположения
квантовых ям в волноводе существенно влияет на диаграмму направленности
излучения (благодаря генерации нескольких поперечных мод), а использование
смешанной накачки импульсным и постоянным токами позволяет управлять
относительной интенсивностью двух линий генерации (благодаря динамической конкуренции различных квантовых ям за инжектируемые носители);
в) в полосковых и четырёхсколотых гетеролазерах с асимметричным рас
положением квантовых ям с различными основными состояниями для широко
го диапазона токов накачки возможно сосуществование стандартных волно-
водных мод резонатора Фабри-Перо и мод «шепчущей галереи», причём гене
рация первых и вторых происходит в различных частотных полосах, но не ис
ключает конкуренцию, ведущую к частичному разнесению мод в пространстве
и во времени;
г) в разработанных лазерах с составным резонатором реализуется эффек
тивное внутрирезонаторное смешивание разночастотных мод на квадратичной
решёточной нелинейности структуры, которое может быть положено в основу
работы достаточно эффективных источников когерентного излучения на сум
марной и разностной частотах;
д) в самостартующих гетеролазерах с самопересекающейся активной об
ластью генерация обусловлена формированием динамических голографиче-
ских решеток концентрации носителей, приводящих к существенному измене
нию диаграммы направленности и прореживанию спектра мод по сравнению с
обычными полосковыми лазерами, изготовленными на той же гетероструктуре.
Достоверность.
Достоверность и надёжность полученных результатов обеспечена всей совокупностью использованных апробированных методов исследования, а также проведением измерений на большом числе однотипных образцов, демонстрирующих сходные характеристики.
Апробация работы и публикации.
Основные результаты, полученные в диссертации, отражены в 38 научных
публикациях, в том числе в 9 статьях в рецензируемых изданиях: одна статья в
журнале "IEEE Photonics Technology Letters" [А1], одна статья в журнале "Laser
Physics" [А2], одна статья в сборнике научных трудов Нижегородского госу-
I дарственного университета "Структура и свойства твердых тел" [A3], одна ста-
тья в журнале "Журнал технической физики" [А4], одна статья в журнале "Physics of low-dimensional structures" [A5], одна статья в журнале "Acta Physica Polonica А" [А6], три статьи в журнале "Физика и техника полупроводников" [А7-А9].
Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всероссийских совещаниях "Нанофотоника" (Н.Новгород, 2001-2004 гг.) [А8-А14], 10th European Conference "Integrated Optics" (Paderborn, Germany, 2001) [A 15], V международной конференции "Оптика, оптоэлектроника и технологии" (Ульяновск, 2003 г.) [А16], Научной конференции по радиофизике (Н.Новгород, 2003
г.) [А17], VI Российской конференции по физике полупроводников "Полупроводники 2003" (Санкт-Петербург, 2003 г.) [А 18, А19], International Conference "Scanning Probe Microscopy-2003" (Nizhny Novgorod, 2003) [A20], International Conference "Scanning Probe Microscopy-2004" (Nizhny Novgorod, 2004) [A5], 12lh International Symposium "Ultrafast Phenomena in Semiconductors" (Vilnius, Lithuania, 2004) [A6], Conference SPIE Europe "Photonics Europe: Semiconductor Lasers and Laser Dynamics" (Strasbourg, France, 2004) [A21], Conference on Lasers and Electro-Optics' 2004 (San Francisco, USA, 2004), 6th International Conference "Mid-Infrared Optoelectronics Materials and Devices" (St.Petersburg, 2004) [A22], 12lh International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology" (St.Petersburg, 2004) [A23-A25], 13,h International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology" (St.Petersburg, 2005) [A26, A27], Симпозиуме "Нанофи-зика и наноэлектроника" (Н.Новгород, 2005 г.) [А28-А31], 5-м Белорусско-Российском семинаре "Полупроводниковые лазеры и системы на их основе" (Минск, Беларусь, 2005 г.) [А32, АЗЗ], International Conference on Nonlinear Optics / Laser Applications and Technology (St.Petersburg, 2005) [A34, A35], International Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers (Yalta, Ukraine, 2005), VII Российской конференции по физике полупроводников (Звенигород, 2005 г.), 17th Conference on Lasers and Electro-Optics/Europe 2005 (Munich, Germany, 2005), Conference on Physics of Quantum Electronics (Snowbird, USA, 2005), a также на семинарах ИПФ РАН, ИФМ РАН, ННГУ им. Н.И. Лобачевского, МГУ и Техасского А & М университета.
Статья по материалам доклада на конференции " Physics of Quantum Electronics" принята к печати в журнале "Journal of Modern Optics" .
Результаты работы представлены также в трудах ежегодных рабочих совещаний "Разработка радиационно-стойких полупроводниковых приборов для систем связи и прецизионных измерений с использованием шумового анализа" по проекту НАТО SfP-973799 Полупроводники (2001, 2003 гг.) [А36-А38].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объём диссертации составляет 159 страниц текста, 99 рисунков и 6 таблиц. Общий список цитируемой литературы содержит 129 наименований, из них 38 работ с участием автора.
