CC BY
74
Радиофизика
Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2012, N 5 (1), с. 71-74
УДК 621.373.826
ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРОВ ИЗЛУЧЕНИЯ 3 ТГЦ КВАНТОВОГО КАСКАДНОГО ЛАЗЕРА
© 2012 г. А.А. Ластовкин, К.В. Маремьянин, А.В. Иконников, А.В. Антонов,
В.И. Гавриленко, В.Л. Вакс, Е.А. Собакинская
Институт физики микроструктур РАН, Н. Новгород
Поступила в редакцию 25.01.2012
Исследованы спектры импульсного квантового каскадного лазера диапазона 3 ТГ ц. Продемонстрирована генерация лазера на различных модах резонатора. Перестройка модового состава излучения осуществлялась изменением тока через лазерную структуру. Показано, что увеличение температуры от 13 К до 100 К не приводит к изменению частоты генерации. При температуре 100 К в течение импульса тока через лазер длительностью 10 мкс наблюдалось гашение моды генерации на частоте 96 см-1 и «возгорание» более высокочастотной моды 102 см-1.
Ключевые слова: квантовые каскадные лазеры, терагерцовый диапазон, Фурье-спектроскопия, разогрев.
Введение
Квантовые каскадные лазеры (ККЛ) прочно заняли нишу компактных когерентных перестраиваемых источников излучения терагерцо-вого (ТГц) диапазона. Лазеры представляют собой многослойные гетероструктуры, состоящие из чередующихся активных областей, в которых происходит испускание фотонов, и инжекционных областей, через которые носители движутся до следующей активной области. Количество таких областей достигает нескольких сотен. Основные характеристики лазера, как, например, длина волны излучения, определяются не объемными свойствами полупроводника, а дизайном областей (параметрами квантовых ям и разделяющих их барьеров, степенью легирования слоев и т.д.). В такой сложной структуре большое влияние на параметры генерации оказывает температура лазерной структуры, которая определяется как температурой окружающей среды, так и разогревом лазера за счет протекания тока через структуру [1]. Данная работа посвящена исследованию методами Фурье-спектроскопии спектров излучения ККЛ диапазона 3 ТГц, связанных с разогревом лазерной структуры.
Методика измерений
Исследуемый ККЛ изготовлен по стандартному резонанс-фононному дизайну с двойными металлическими волноводами. Дизайн подобного лазера подробно рассмотрен в работе [2]. Инверсия населенности на рабочем переходе в
таких структурах достигается за счет туннелирования электронов с инжекторного уровня на верхний рабочий уровень и опустошения нижнего рабочего уровня за счет резонансного рассеяния с испусканием продольных оптических фононов. ККЛ был изготовлен в виде полосковой мезаструктуры с характерными шириной несколько десятков микрон и длиной 1-2 мм. Для уменьшения потерь ККЛ помещался в двойной металлический полосковый волновод [3]. Лазер монтировался на медный хладопровод, являющийся нижним контактом к структуре.
Измерения проводились при температурах от 10 К до 120 К, лазер размещался в вакууме на медном хладопроводе в гелиевом криостате замкнутого цикла «RGD-1245» немецкой фирмы Oerlikon Leybold Vacuum GmbH. Блок управления криостата позволял контролировать температуру с помощью термодатчика, расположенного на хладопроводе. Измерения проводились в импульсном режиме. Для питания лазеров использовался электронный ключ, позволяющий получать импульсы длительности т = = 10 мкс с частотой повторения 1 кГц и амплитудой до 20 В, а также измерять выходное напряжение и ток, проходящий через лазер. Для записи спектров излучения использовался Фу-рье-спектрометр BRUKER VERTEX 80V. Излучение ККЛ по вакуумированным сверхразмер-ным волноводам через полиэтиленовое окно заводилось в интерферометр Майкельсона спектрометра. С выхода интерферометра излучение с помощью зеркал заводилось в световодную вставку транспортного гелиевого сосуда Дьюара, где регистрировалось фотопри-
1(A)
Рис. 1. Вольт-амперные (1-3) и излучательные (4-6) характеристики 3 ТГц ККЛ, измеренные при температурах: кривые 1, 4 — 120 K; 2, 5 — S0 K; 3,6 — 10 K
емником Ge:Ga. Импульсный сигнал с приемника усиливался малошумящими усилителями тока SR570 (с этого усилителя подавалось смещение на фотоприемник окло 2 В/см) и напряжения SR560 фирмы Stanford Research System с полосой пропускания до 1 МГц (которая зависит от коэффициента усиления) и подавался на вход платы аналого-цифрового преобразователя (АЦП) MI. 3025 фирмы «Spectrum systement-wicklung microelectronic GmbH», входящей в состав Фурье-спектрометра. АЦП осуществлял регистрацию сигналов в различные моменты импульса генерации с шагом 1 мкс. Спектральное разрешение Фурье-спектрометра составляло 1 см-1. Обработка экспериментальных данных производилась в лицензионном программном продукте OPUS V 6.5 компании «Bruker Optik GmbH».
Результаты и обсуждение
На рисунке 1 представлены вольт-амперные (V-I) и излучательные (L-I, зависимость интегральной интенсивности излучения от тока) характеристики, измеренные при трех различных температурах. Видно, что стимулированное излучение лазера возникает при токе более 1.3S A.
Спектр излучения ККЛ, измеренный при токе I = 1.3S А и Т = 13 К, представлен на рис. 2. Наблюдается основная линия на частоте 96 см-1. Кроме основной линии на спектре различимы спектральные особенности, соответствующие, скорее всего, продольным модам резонатора, расположенным эквидистантно с шагом около 3 см-1. Аналогичные спектральные особенности
Рис. 2. Спектр излучения 3 ТГц ККЛ. Температура Т= = 13 К. Ток через структуру I = 1.38 А
наблюдались и при других значениях тока через лазерную структуру.
На рисунке 3 представлены спектры излучения лазера для различных значений тока. Ось абсцисс - волновое число (см-1). Ось ординат -ось времени (мкс). Цветом представлена амплитуда сигнала (отн. ед.). Температура хладопро-вода криостата составляла Т = 13 К. На рисунке спектры расположены в порядке возрастания тока через лазерную структуру слева направо I = 1.38 А, I = 1.45 А, I = 1.8 А, I = 2.2 А. Спектры при токах I = 1.38 А и I = 1.45 А подобны, в них наблюдается одна линия на частоте 96 см-1. Длина импульса тока через лазер составляла 10 мкс, однако на рис. 3а,Ь виден длительный (около 20 мкс) спад сигнала, который обусловлен обуженной полосой усилителя сигнала приемника. При увеличении тока через лазерную структуру до 1.8 А в спектре (рисунок 3 с) помимо линии 96 см-1 возникает линия с частотой 102 см-1. Дальнейшее увеличение тока приводило к исчезновению линии 96 см-1 и появлению более коротковолновых линий 105 см-1 и 108 см-1 (рисунок 3d). Увеличение тока приводит к повышению температуры лазерной структуры. Изменение температуры приводит также к изменению длины резонатора и эффективного показателя преломления структуры, причем показатель преломления меняется значительно сильнее [4]. Однако, как показали наши исследования [1], повышение температуры на 90 К приводит к характерному сдвигу частоты моды на 5 ГГц (0.15 см-1) вниз, что много меньше спектрального разрешения в настоящем эксперименте. На рисунке 4 представлены спектры
Рис. 3. Спектры излучения 3 ТГц ККЛ. Ось абсцисс - волновое число (см- ). Ось ординат - ось времени (мкс). Цветом представлена амплитуда сигнала (отн. ед.). Температура Т = 13 К. Спектральное разрешение res = 1 см-1. Временное разрешение At = 1 мкс; a) ток через лазер I = 1.3S А; b) ток через лазер I = 1.45 А; c) ток через лазер I = 1.S А; d) ток через лазер I = 2.2 А
излучения ККЛ при температуре 100 К (температура хладопровода криостата). Видно, что повышение температуры не привело к изменению частоты генерации - в начале импульса по-прежнему загорается мода с частотой 96 см-1. Таким образом, сделанный в работе [5] вывод об увеличении частоты генерации с температурой не носит универсального характера, а относится только к конкретному дизайну активной области. В работе [5] наблюдалась также «перекачка» интенсивности из низкочастотной в высокочастотную моду в течение импульса тока
96 НИ ПК
XfWavenumber cm-1J
Рис. 4. Спектры излучения 3 ТГц ККЛ. Ось абсцисс -волновое число (см-1). Ось ординат - ось времени (мкс). Цветом представлена амплитуда сигнала (отн. ед.). Температура Т = 100 К. Спектральное разрешение res = 1 см-1. Временное разрешение At = 1 мкс. Ток через лазер I = 1.9 А
через лазер. Аналогичный эффект был обнаружен в настоящей работе при Т = 100 К. Как видно из рис. 4, при подаче тока лазерное излучение возникает на моде с частотой 96 см-1, однако через несколько микросекунд эта мода гаснет, а «возгорается» более высокочастотная мода 102 см-1. Такая «перекачка» интенсивности излучения из низкочастотной в более высокочастотную моду связана как с падением усиления из-за разогрева лазерной структуры за время импульса генерации, так и с возросшим поглощением электромагнитного излучения в лазере на свободных носителях, которое, как известно, растёт пропорционально квадрату длины волны. В совокупности оба фактора приводят к тому, что максимум коэффициента усиления должен сдвигаться в область более высоких частот.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 11-02-12203-офи-м), РАН и Минобрнауки РФ (ГК 16.552.11.7007).
Список литературы
1. Ластовкин А.А., Иконников А.В., Гавриленко В.И. и др. Исследование перестройки частоты импульсных квантовых каскадных лазеров терагерцо-вого диапазона. Известия вузов. Радиофизика. 2011. Т. LIV. № 8-9.
2. Tredicucci A., Mahler L., Losco T. and et al. Advances in THz quantum cascade lasers: fulfilling the application potential // Novel In-Plane Semiconductor Lasers
IV, Proceedings of SPIE. Vol. 5738.
3. Kumar S., Lee A.W.M., Qin Q. and et al. High-temperature and high-power operation of terahertz quan-tum-cascade lasers // Novel In-Plane Semiconductor Lasers VII, Proc. of SPIE. 2008. Vol. 6909, 69090I.
4. Betz A.L., Boreiko R.T., Williams B.S. and et al. Спектры излучения квантовых каскадных лазеров
// Optics Letters. 2005. V. 30. P. 1S37. терагерцового диапазона // Изв. вузов. Радиофизика.
5. Антонов А.В., Гавриленко В.И., Иконников А.В. 2009. Т. LII. № 7. С. 550-556.
THE STUDY OF THE EMISSION SPECTRA OF A 3 THz QUANTUM CASCADE LASER
A.A. Lastovkin, K. V. Maremyanin, A V. Ikonnikov, A. V. Antonov, V.I. Gavrilenko,
V.L. Vaks, E.A Sobakinskaya
Emission spectra of a pulsed 3 THz quantum cascade laser have been studied. Laser generation on different resonator modes has been demonstrated. The mode composition restructuring has been carried out by varying the laser structure current. It has been shown that an increase in the laser temperature from 13 K to 100 does not result in the emission frequency change. At a temperature of 100K, the laser generation has been found to switch from 96 cm-1 mode to 102 cm-1 one during the laser current pulse of 10 ^s.
Keywords: quantum cascade lasers, terahertz range, Fourier spectroscopy.
