CC BY
56
Радиофизика
Вестник Нижегородского универчктета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 3 (1), с. 91-96
УДК 621.373.826
ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРОВ ИЗЛУЧЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ КВАНТОВЫХ КАСКАДНЫХ ЛАЗЕРОВ ТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА С ВЫСОКИМ СПЕКТРАЛЬНЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ
© 2011 г. А.А. Ластовкин1, А.В. Иконников1, А.В. Антонов1, В.И. Гавриленко1,
Ю.Г. Садофьев2, N. Samaf
1Институт физики микроструктур РАН, Нижний Новгород 2Trion Technology, Tempe, AZ 85281, USA
lastovkin86@imp.sci-nnov.ru
Поїтупила вpкNакцию 03.03.2011
Исследованы спектры импульсных квантовых каскадных лазеров терагерцового диапазона с высоким спектральным разрешением. Характерная ширина линии на полувысоте составила 0.01 см-1, она определяется изменением температуры лазера за время импульса питающего напряжения. Показано, что при увеличении температуры лазера и уменьшении питающего напряжения частота излучения уменьшается.
Ключквък їлова: квантовые каскадные лазеры, терагерцовый диапазон, Фурье-спектроскопия высокого разрешения.
Введение
Одними из наиболее перспективных источников терагерцового излучения являются квантовые каскадные лазеры (ККЛ). Основными их достоинствами являются компактность и возможность работы в широком спектральном диапазоне. Однако до сих пор не продемонстрирована работа таких лазеров в терагерцовом диапазоне при комнатной температуре. Наибольшие достигнутые рабочие температуры составляют 117 К в непрерывном режиме [1] и 186 К при импульсной накачке [2] (без использования сильного магнитного поля). Поэтому всестороннее детальное исследование таких ККЛ с различными параметрами по-прежнему является актуальным.
Одним из применений ККЛ видится их использование для спектроскопии газов. Для таких задач необходимо, чтобы излучение лазера было монохроматическим с очень узкой спектральной шириной линии. Недавно было продемонстрировано [3], что, используя метод фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), удается добиться ширины линии ~10-6 см-1 для лазера, излучающего на частоте около 100 см-1 (3 ТГц) в непрерывном режиме.
В предыдущих наших работах [4, 5] исследовались различные характеристики импульсных ККЛ терагерцового диапазона, в частности вольт-амперные характеристики (ВАХ) лазеров (и их изменение в зависимости от температуры), зависимости интегрального излучения от приложенного напряжения (и их изменение в
зависимости от температуры), а также спектры излучения. Однако в этих работах спектры измерялись с разрешением 0.2 см"1, что не позволило определить собственную спектральную ширину линии лазера. В данной работе спектры излучения ККЛ измерялись с разрешением до
0.007 см"1.
Исследуемые структуры
Исследуемые ККЛ, изготовленные фирмой Trion Technology (г. Темпе, Аризона, США), были выполнены в виде полосковой мезо-структуры с характерными шириной около 100 мкм и длиной 1-1.5 мм. Дизайн структур соответствовал описанному в работе [6], инверсия населенности достигалась за счет туннелирования электронов из инжектора на верхний рабочий уровень и опустошения нижнего рабочего уровня в результате резонансного рассеяния с испусканием оптических фононов. Для уменьшения потерь ККЛ помещался в двойной металлический полосковый волновод. Структуры были выращены методом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложке GaAs. Активная область структуры ККЛ состоит из повторяющихся (около 200 периодов) наборов из трех квантовых ям (КЯ) GaAs, разделенных барьерами Al0.i5Gao.s5As. Центральная часть самой широкой квантовой ямы в каждом периоде, в которой происходит испускание оптических фононов, легировалась примесью n-типа с концентрацией 3.6-1010 см-2. Рост структуры начи-
30
25
20 с
.Q
15 &
С
о
"со
10 I
Ш
и (У)
Рис.1. ВАХ и зависимость интегрального излучения от приложенного напряжения для лазера №1, снятые при T = 8 К. Точечными линиями показан диапазон рабочих напряжений лазера
нался с буферного слоя GaAs, далее выращивался слой AlGaAs с высоким содержанием А1, который в дальнейшем использовался при создании двойного металлического полоскового волновода в качестве стоп-слоя при стравливании подложки. После завершения роста структуры ККЛ на поверхность последовательно термически напылялись слои металлов Та/№^п/Аи. Выращенную структуру помещали на проводящую подложку-носитель из GaAs, на поверхность которой были нанесены такие же металлические слои, и сращивали методом термокомпрессионного сжатия. Затем исходную подложку стравливали до стоп-слоя и сверху наносили аналогичную последовательность металлических слоев. В результате структура толщиной около 10 мкм оказывалась ограниченной двумя металлическими слоями, являющимися обкладками полоскового волновода. Далее методом фотолитографии формировались полоски шириной около 100 мкм, и выкалывались лазерные чипы, зеркала резонатора были образованы сколами в кристаллографическом направлении [110]. Лазеры монтировались на медный хладопровод, являющийся нижним контактом к структуре. В данной работе исследовались 2 ККЛ (№1 и №2), изготовленных из двух сходных структур и излучающих в области 100 см-1.
Методика измерений
Измерения проводились при температурах 7= 8-25 К, лазер размещался в вакууме на медном хладопроводе в гелиевом криостате замкнутого цикла Disp1ex DE-202S. Блок управления
температурой криостата замкнутого цикла позволял выставлять и поддерживать автоматически заданную температуру и контролировать ее с помощью термодатчика, расположенного на хладопроводе. Измерения проводились в импульсном режиме. Для питания лазеров использовался электронный ключ, позволяющий получать импульсы заданной длительности (1-10 мкс), скважности (10-100) и амплитуды, а также измерять напряжение и ток, проходящий через лазер. Для измерения амплитуды импульсов (напряжения, тока, сигнала излучения) использовался двухканальный строб-интегратор (бокскар) фирмы Stanford Research Systems.
Для измерения спектров излучения использовался Фурье-спектрометр высокого (до 0.003 см-1) разрешения BOMEM DA3.36. Поскольку данный спектрометр не способен работать в режиме пошагового сканирования, использовалась следующая схема эксперимента. Терагер-цовое излучение лазера проходило через спектрометр и через волновод попадало на примесный фотоприемник Ge:Ga, который располагался в жидком гелии в транспортном сосуде Дьюара. Сигнал с приемника усиливался, а затем проходил через полосовой фильтр с верхней граничной частотой, обеспечивающей сглаживание импульсного сигнала с приемника. Таким образом изменение сигнала на выходе фильтра определялось лишь перемещением зеркала интерферометра Фурье-спектрометра. Спектры снимались с таким разрешением, при котором наблюдаемая ширина спектральной линии переставала зависеть от разрешения спектрометра.
Е Е Е
ООО
Е
о
Wavenumber (cm')
Рис. 2. Спектры излучения ККЛ №1, снятые при различных температурах хладопровода и различной скважности импульсов. Сплошная кривая снята при скважности импульса 20 и длительности т = 2 мкс при T = 8 К. Разрешение спектрометра (res) составляло 0.007 см-1. Ширина этой линии на полувысоте (FWHM) составила 0.013 см-1. Остальные кривые сняты при скважности импульса 10 и длительности т = 10 мкс при различных температурах. Справа налево: штриховая кривая - T = 8 К, res = 0.008 см-1, FWHM = 0.013 см-1, штрихпунктирная кривая - T = 20 К, res = 0.01 см-1, пунктирная кривая T = 20 К, res = 0.01 см-1
Результаты и обсуждение
На рис. 1 показаны ВАХ и зависимость интегрального излучения от приложенного напряжения для лазера №1. Как видно из рисунка, диапазон рабочих напряжений лазера лежит от 16.7 В до 18.2 В (при V > 18.2 на осциллограммах напряжения и тока наблюдались высокочастотные неустойчивости и мощность лазера резко падала). Это соответствует рабочим токам 0.43-0.56 А. При исследованиях спектров лазера мы всегда, если это не оговаривается отдельно, выбирали рабочую точку в максимуме ВАХ, непосредственно перед появлением неустойчивостей.
На рис. 2 представлены спектры излучения ККЛ №1, снятые при различных температурах хладопровода и различной скважности. Рассмотрим вначале зависимость положения линии от температуры хладопровода. Как видно из рис. 2, при увеличении температуры хладопро-вода максимум спектральной линии излучения смещается в сторону меньших энергий, причем это смещение частоты лазера оказывается прямо пропорциональным изменению температуры хладопровода:
Ак _ 107.755 -107.769 АГ “ 25 - 8
_ 7.610-6 К'1.
к АГ
Уменьшение частоты излучения лазера с ростом температуры хладопровода наблюдалось в ряде других работ, в частности в работах
- = - 8.2-10'4 см-1/К,
[3, 7]. В работе [3] в диапазоне температур 5259 К (температуры были ограничены имеющимся в распоряжении криостатом) для лазера, излучающего на 100 см-1, также наблюдался линейный сдвиг частоты излучения при изменении температуры лазера. Однако величины коэффициентов были на порядок больше: Ак/АГ = -6.7-10"3 см-1/К, к_1Ак/АГ = 6.6110-5 К-1. В работе [7] для лазера, излучающего на 50 см-1, в диапазоне температур 21.2-28.8 К наблюдалась нелинейная зависимость сдвига частоты излучения при изменении температуры (с ростом температуры частота также уменьшалась) (см. рис. 6 из работы [7]). На участке 21-25 К средний коэффициент кЛАк/АГ составил 5-10-6 К-1, что близко к значению, полученному для нашего лазера №1. При дальнейшем повышении температуры величина Ак/АГ возрастает, что, по-видимому, и объясняет расхождение наших результатов с данными, полученными в работе [3] при более высоких температурах.
При увеличении скважности в 2 раза и уменьшении длительности импульса в 5 раз (при температуре хладопровода 8 К) (см. рис. 2) частота излучения лазера увеличилась на 0.02 см-1. От длительности импульса зависит разогрев лазера: чем больше длительность импульса, тем выше температура структуры в конце импульса. От скважности зависит степень релаксации температуры, а следовательно, и температура лазера на начальный момент импульса. Поэтому такой параметр, как температура хладопровода, оказывается неким абстрактным параметром, по которому можно оценивать лишь минимальную
с
=з
_о
03^
с
о
(О
со
Е
ш
и (У)
Рис. 3. ВАХ и зависимость интегрального излучения от приложенного напряжения для лазера №2, снятые при Т = 8 К. Точечными линиями показан диапазон рабочих напряжений лазера
температуру лазера. В соответствии с определенным коэффициентом перестройки Ак/АТ = =-8.2-10"4 см-1/К получается, что температура лазера изменилась на 24 К. Даже если предположить, что для линии, снятой при скважности 20 (сплошная), температура лазера составляет 8 К, то для линии, снятой при скважности 10 (пунктирная), температура лазера должна составлять минимум Т10 = 32 К. Однако мы считаем, что коэффициент Ак/АТ соответствует реальным значениям в нашем диапазоне температур, поскольку, во-первых, изменение АТ оказывается не очень большим по сравнению с Т10, а во-вторых, сдвиг частоты оказался в нашем случае пропорциональным изменению температуры.
Измерив ширину линии на полувысоте (FWHM), для этих двух спектральных линий мы получили FWHM20 = 0.013 см-1, FWHM10 = =0.017 см-1. Поскольку известно, что «естественная» ширина линии лазера не превышает 10-6 см-1 [3], очевидно, что за время импульса частота лазера меняется со временем, что и приводит к большой ширине линии. Частота лазера определяется
тс
модами резонатора Фабри-Перо: f =--------------,
2^Ь
где т - номер моды, neff - показатель преломления, Ь - длина резонатора. Изменение температуры может приводить к изменению как показателя преломления, так и длины резонатора. В работе [3] было показано, что определяющим является изменение показателя преломления: для их лазера коэффициент теплового расшире-
1 йЬ 5 1
ния составляет-------= 0.16*10 К , в то время
ЬйТ
1 йп 5 і
как------= 6.17-10 К'1.
п йТ
Как уже отмечалось, уменьшение длительности импульса привело к обужению линии (рис. 2). В соответствии с определенным коэффициентом перестройки частоты от температуры Ак/АТ можно оценить, насколько нагревается лазер за время импульса. Для линии, соответствующей т = 10 мкс, АТ составляет ~20 К, в то время как для линии, соответствующей т = 2 мкс, АТ ~ 15.8 К. Видно, что уменьшение длительности импульса лазера в 5 раз не приводит к такому же значительному обужению линии. Это связано с тем, что основное повышение температуры лазера происходит в начале импульса. Теплота, выделяемая в лазере, отводится достаточно медленно (этим объясняется необходимость работы при достаточно больших скважностях импульсов), поэтому в грубом приближении можно считать, что нагрев лазера в первый момент происходит адиабатически. В
этом случае
і
Су ~ Т3, Q ~ |Т3йТ ~ Т4. С
дру-
гой стороны, Q = Р% где Р - мощность, выделяемая в лазере, т - время импульса. Таким образом, при заданной мощности Т ~ V!.
На рис. 3 показаны ВАХ и зависимость интенсивности интегрального излучения от приложенного напряжения для лазера №2. Как видно из рисунка, основные наблюдаемые особенности такие же, как и для лазера №1 (рис. 1). Диапазон рабочих напряжений лазера лежит от 15.9 В до 17.1 В, что соответствует рабочим токам 0.19-0.23 А.
На рис. 4 представлены спектры излучения ККЛ №2, снятые при различных скважностях. Как видно из рисунка, данный лазер излучал на
\Л/ауепиплЬег (ст'1)
Рис. 4. Спектры излучения ККЛ №2, измеренные при различных скважностях импульсов: сплошная кривая -100, пунктирная кривая - 10. Длительность импульсов составляла 1 мкс, Т = 8 К. Для сплошной линии разрешение спектрометра составляло 0.01 см-1, для пунктирной - 0.007 см-1. Ширина линий на полувысоте для сплошной кривой составила 0.019 см-1 и 0.020 см-1 для левого и правого пиков соответственно. Для пунктирной - 0.010 см-1 и 0.009 см-1
\Л/ауепиплЬег (ст'1)
Рис. 5. Спектры излучения ККЛ №2, измеренные при различных напряжениях на лазере: сплошная кривая -17 В, пунктирная кривая - 16.5 В. Длительность импульса составляла 1 мкс, скважность - 100, разрешение спектрометра - 0.01 см-1, Т = 8 К. Ширина линий на полувысоте для сплошной кривой составила 0.019 см-1 и 0.020 см-1 для левого и правого пиков соответственно. Для пунктирной - 0.011 см-1 и 0.010 см-1
двух модах, дальнейшие рассуждения справедливы для обеих. Во-первых, уменьшение скважности в 10 раз привело к тому, что линии сдвинулись в сторону меньших частот на 0.052 см-1. Очевидно, что уменьшение скважности в 10 раз привело к значительному возрастанию «средней» температуры лазера (лазер не успевает остыть до температуры хладопровода за время между импульсами). Во-вторых, уменьшение скважности привело к обужению (!) спектральных линий в два раза (FWHWl00 - 0.02 см-1, FWHWl0 - 0.01 см-1). По-видимому, это также связано с увеличением средней температуры лазера. Увеличение температуры привело к уве-
личению теплоемкости лазера, что, в свою очередь, - к меньшему изменению температуры за время импульса и, соответственно, более узким линиям.
Спектры лазера №2, записанные при смещении 16.5 В и 17 В, показаны на рис. 5. Как видно из рисунка, уменьшение напряжения привело к обужению линий, что связано, очевидно, с уменьшением мощности, выделяемой в лазере, и уменьшением разогрева лазера во время импульса. Но также уменьшение напряжения привело к уменьшению энергии излучения, в то время как уменьшение температуры должно приводить к сдвигу линии в сторону больших
энергий. По всей видимости, мы имеем дело с двумя конкурирующими процессами: уменьшением разогрева и средней температуры лазера, что сдвигает линию вправо, и изменением энергии излучения за счет изменения профиля зоны проводимости, что сдвигает линию влево. Соответственно, в нашей ситуации второй процесс оказывается превалирующим, что и приводит, в итоге, к уменьшению частоты лазера с уменьшением питающего напряжения. За счет данного эффекта можно управлять частотой лазера с помощью питающего напряжения, что позволит легко ввести обратную связь при использовании ФАПЧ. В дальнейшем мы предполагаем для исследований спектров излучения ККЛ с более высоким спектральным излучением использовать гетеродинный приемник с гармоническим смесителем на основе полупроводниковой сверхрешетки и лампы обратной волны в качестве гетеродина.
Таким образом, в настоящей работе исследованы спектры излучения импульсных квантовых каскадных лазеров терагерцового диапазона с высоким спектральным разрешением. Обнаружен эффект уменьшения частоты лазера с ростом температуры хладопровода или уменьшением скважности питающего напряжения, что вызвано увеличением эффективного показателя преломления активной области с ростом температуры лазера. Показано, что ширина линии в спектре излучения лазера определяется
изменением температуры лазера за время импульса питающего напряжения, причем основной рост температуры происходит в начале импульса. Также обнаружен эффект перестройки частоты лазера с изменением питающего напряжения: уменьшение напряжения приводит к уменьшению частоты излучения, что связано с изменением энергии диагональных переходов между рабочими уровнями лазера.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект 08-02-00962), РАН и ФЦП «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (ГК №П1211).
Список литературы
1. Williams B.S., Kumar S., Hu Q. // Optics Express. 2005. 13. 3331.
2. Kumar S., Hu Q., Reno J.L. // Appl. Phys. Lett. 2009. 94. 131105.
3. Betz A.L., Boreiko R.T., Williams S., et al. // Optics Letters. 2005. 30. 1837.
4. Антонов А.В., Гавриленко В.И., Иконников А.В. и др. // Нанофизика и наноэлектроника: Материалы Всероссийского симпозиума. 2009. 2. 378.
5. Антонов А.В., Гавриленко В.И., Иконников А.В. и др. // Известия вузов. Радиофизика. 2009. LII. 550.
6. Luo H., Laframboise S. R., Wasilewski Z. R., et al. // Appl. Phys. Lett. 2007. 90. 041112.
7. Rabanus D., Graf U.U., Philipp M., et al. // Optics Express. 2009. 17. 1159.
HIGH SPECTRA RESOLUTION STUDIES OF EMISSION SPECTRA OF TERAHERTZ PULSED
QUANTUM CASCADE LASERS
A.A. Lastovkin, A. V. Ikonnikov, A. V. Antonov, V.I. Gavrilenko, Yu. G. Sadof’ev, N. Samal
The spectra of terahertz pulsed quantum cascade lasers have been studied with high spectral resolution. The typical line width at half maximum was 0.01 cm-1, being determined by changes in the laser temperature during the supply voltage pulse. It is shown that an increase in laser temperature leads to a decrease in the emission frequency. The emission frequency is also decreased with the reduction of the power supply voltage.
Keywords: quantum cascade lasers, terahertz band, high-resolution Fourier transform spectroscopy.
