Поляризационные особенности излучения в полупроводниковых структурах для вертикально-излучающих лазеров Текст научной статьи по специальности «Физика»

Оптика и квантовая электроника Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 5 (3), с. 80-84

УДК 621.373.826

ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУРАХ ДЛЯ ВЕРТИКАЛЬНО-ИЗЛУЧАЮЩИХ ЛАЗЕРОВ

© 2011 г. Д.Е. Святошенко, А.А. Андронов, А.В. Маругин

Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского

svyato shenko @г£ unn.ru

Поступила в редакцию 05.05.2011

Рассмотрены особенности формирования спектров фотолюминесценции полупроводниковых структур, связанные с распределением поля в микрорезонаторе, образованном брегговским зеркалом и границей полупроводник-воздух. Приведены спектры для двух взаимно ортогональных поляризаций излучения фотолюминесценции в зависимости от угла. Измерения позволили проанализировать особенности взаимного согласования параметров микрорезонатора и активной среды, связанные с температурой, определить рабочие диапазоны значений параметров, обеспечивающих их согласование для данной структуры в системе с внешним резонатором. Результаты измерений могут быть использованы для получения линейной поляризации в вертикально излучающих лазерах с V -образной формой внешнего резонатора без дополнительных поляризующих элементов.

Ключевые слова: лазеры с вертикальным резонатором, оптическая накачка, фотолюминесценция полупроводников, многослойные брегговские зеркала.

Введение

С момента своего становления [1], исследования в области вертикально излучающих лазеров с внешним резонатором (VECSEL) или дисковых лазеров (SDL), с оптической накачкой сформировались в отдельное самостоятельное направление современной полупроводниковой оптической электроники. Это обусловлено рядом технологических преимуществ вертикально излучающих лазеров по сравнению с полупроводниковыми лазерами привычной полосковой геометрии. Среди них определяющим является большая выходная мощность излучения (более 20 Вт непрерывного излучения в ближней ИК области спектра) при сохранении близкого к дифракционному пределу качества пучка [2, 3]; возможность перестройки длины волны излучения в пределах до 20 нм за счёт двулучепрелом-ляющего фильтра во внешнем плече резонатора [4]. Геометрия вертикально излучающих лазеров с внешним резонатором позволяет использовать нелинейные оптические кристаллы (например, KNbO3 или LiNbO3) для преобразования лазерного излучения во вторую гармонику в видимой области спектра [5], не в полной мере доступной полупроводниковым лазерам, работающих по принципу прямой межзонной генерации.

Для эффективного преобразования излучения во вторую гармонику должно выполняться

условие фазового синхронизма. Выполнение фазового синхронизма в нелинейных кристаллах реализуется для волн с определенной поляризацией, что налагает дополнительные требования на контроль поляризации выходного излучения вертикально излучающих лазеров. Генерация поляризованного излучения достигается путём размещения внутри резонатора пластинки под углом Брюстера [4], которая вносит дополнительные потери для одной из поляризаций. При этом для согласования воздушной и полупроводниковой частей резонатора на поверхность полупроводника наносят слой антиотражающего покрытия. Влияние антиотражающего покрытия на рабочие параметры лазера рассмотрено в работе [6]. Резкая граница полупроводник-воздух приводит к выраженной спектральной зависимости коэффициента оптического ограничения и более жёстким требованиям на соблюдение периодичности слоёв структуры. Однако это одновременно приводит к увеличению эффективного коэффициента отражения и, как следствие, снижению порога генерации.

В настоящей работе на основе изученных спектров отражения и фотолюминесценции полупроводниковой структуры для вертикально излучающего лазера исследованы особенности формирования излучения различной поляризации в микрорезонаторе. Обсуждается идея V-образ-

ной формы оптического резонатора [4] для генерации поляризованного излучения в вертикально излучающих лазерах без дополнительного поляризующего элемента, основываясь на анализе эффективного коэффициента отражения внешнего плеча резонатора вертикально излучающего лазера.

Экспериментальная установка.

Описание структуры

В работе измерялись интегральные по поверхности спектры отражения структуры. Измерения проводились при близком к нормали угле падения для разнесения в пространстве падающего и отраженного излучения. В качестве источника белого света использовалась галогеновая лампа. Спектр источника регистрировался отдельно и использовался в качестве опорного при корректировке спектров отраженного излучения. Такой способ регистрации не дает амплитудной привязки спектра отражения, но позволяет регистрировать спектральные особенности. Здесь и далее регистрация спектров проводилась волоконным спектрометром ANDO6317 с волоконным входом. Образец исследуемой структуры размещался на теплоотводе с воздушным охлаждением и элементом Пельтье для измерения спектральных температурных особенностей отражения и фотолюминесценции. Регистрация значений температуры проводилась по показаниям термопары.

Для изучения поляризационных особенностей излучения была смонтирована установка, позволяющая в однотипных условиях регистрировать фотолюминесценцию исследуемого образца при непрерывном изменении угла наблюдения. Излучение фотолюминесценции диафрагмировалось и фокусировалось линзой на торец волокна, по которому передавалось на вход спектрометра. Апертура диафрагмы подбиралась таким образом, чтобы обеспечить точность по углу не хуже 2° во всем диапазоне изменения углов. Для выделения заданной компоненты поляризации между линзой и торцом волокна размещался поляризатор со степенью поляризуемости 1:300. Все обозначенные оптические элементы размещались на поворотном столе и юстировались таким образом, чтобы ось вращения стола совпадала с оптической осью схемы и проходила через неподвижно размещенный исследуемый образец. Диапазон возможных значений угла поворота изменялся непрерывно в диапазоне от 0 (нормаль к образ-

цу) до 90° (направление, совпадающее с плоскостью слоёв структуры).

В качестве источника накачки использовался полупроводниковый лазер с длиной волны 808 нм, работающий в непрерывном режиме.

Исследуемая полупроводниковая структура рассчитана на длину волны 20=980 нм и состоит из брегговского зеркала, - чередующихся пар слоев AlxGa1_xAs/GaAs с оптическим периодом 20/2, заращенного микрорезонатором. Микрорезонатор представляет собой слой GaAs с суммарной оптической толщиной 9Х0/2 с четырьмя квантовыми ямами, расположенными в узлах распределения электрического поля собственной моды микрорезонатора, длина волны которой соответствует максимуму отражения брег-говского зеркала. Пространственное ограничение носителей зарядов и лучшее согласование поля внутри и снаружи полупроводниковой части резонатора обеспечивается за счёт слоя -^0.180^0. 82As с оптической толщиной Х0/2. Таким образом, суммарная оптическая толщина микрорезонатора составляет 102/2.

Расчёт спектров отражения и структуры полей внутри микрорезонатора проводился методом матриц пропускания [7, с. 65]. В расчётах использовались значения показателя преломления в соответствии с работой [8], дополнительная корректировка значений показателей преломления материалов не проводилась.

Положение измеренного спектра отражения зеркала, сформированного 24 парами слоев AlxGa1_xAs/GaAs, было смещено в длинноволновую область относительно расчётного спектра. Причиной такого смещения при сохранении геометрических толщин слоёв предположительно стал ростовой состав слоя AlxGa1_xAs. Замена материала зеркала с использованием при расчёте чистого А^ на Al0.9Ga0.1As (в пределах погрешности на геометрические толщины сло-ёв) позволяет обеспечить лучшее согласование спектров отражения с расчётом на основе предполагаемой для теоретического расчёта модели (см. рис. 1). Длина волны фотолюминесценции структуры при комнатной температуре составляет 2=970 нм.

Результаты и обсуждение

Вид спектра отражения исследуемой структуры одновременно с нормированными спектрами люминесценции, измеренными при температуре 85°С в плоскости и по нормали к слоям структуры, представлен на рис. 1. Вследствие описанного смещения спектра зеркала,

в отражении заметно наличие двух провалов при длинах волн 978 нм и 1045 нм, связанных с модами микрорезонатора. Различие в глубине коротковолнового провала в экспериментальном и расчётном спектрах отражения возникает по причине того, что в расчётах не проводился учёт поглощения в структуре.

Согласование взаимного положения моды микрорезонатора с линией люминесценции вещества достигается при значениях температур около 40°С. При меньших температурах, с учётом погрешностей измерений, положение максимума люминесценции по нормали к слоям совпадает с максимумом невозмущенной люминесценции.

1000 995 990

Л, НМ

Рис. 1. Спектр коэффициента отражения структуры при температуре 85°С: экспериментальная (а) и рассчитанная (б) зависимости, - вертикальными пунктирными линиями показано положение мод микрорезонатора. Спектры фотолюминесценции по нормали (в) и в плоскости (г) слоёв структуры

Положение и форма спектра фотолюминесценции по нормали к слоям структуры определяется взаимным расположением и формой моды микрорезонатора и линией фотолюминесценции вещества.

Для определения условий согласования параметров резонатора и вещества была измерена температурная зависимость спектров фотолюминесценции и отражения структуры в диапазоне температур от 5°С до 105°С (см. рис. 2). Смещение максимума длины волны излучения квантовой ямы линейно с наклоном 0.32 нм/°С. Штриховая прямая на графике отражает температурное смещение моды микрорезонатора. Её наклон определялся по положению второй мик-рорезонаторной моды и составляет величину около 0.07 нм/°С, а положение на рисунке приведено к положению коротковолновой моды. На рис. 2 видно наличие двух линейных участков в зависимостях положения линии люминесценции и провала в спектрах отражения, которые определяются взаимным положением моды микрорезонатора и границы поглощения (или линией люминесценции) квантовой ямы. Коротковолновое смещение провала в спектре отражения по отношению к люминесценции связано, по-видимому, с особенностями плотности состояний вблизи запрещенной зоны и возможным неоднородным уширением квантовых ям.

980

975

970

965

960 -f

955

(а) У

Мода микрорезонатора

\

(е)

20

40

60

t, °С

80

100

120

Рис. 2. Зависимость от температуры положения максимумов фотолюминесценции: с торца структуры (а), по нормали к поверхности (б), положение провала в спектре отражения (в)

Измерения фотолюминесценции при регистрации поляризационной зависимости излучения от угла проводились при значении плотности мощности накачки (7=1.5 кВт/см2), что обосновано лучшим согласованием области излучения и регистрирующего волокна.

Для этого случая произведём оценку концентрации носителей в квантовых ямах при указанной плотности мощности накачки. Пересчёт плотности мощности падающего излучения в плотность мощности, поглощенную в микрорезонаторе, проводится в соответствии с выражением:

Ief = I-Tp-[1-exp(-apdahj], где Tp - френелевский коэффициент пропускания границы полупроводник - воздух, Ор=1.4-10- см- - коэффициент поглощения

накачки и dabs - суммарная геометрическая толщина поглощающих накачку слоёв. Для рассматриваемой структуры поглощение на длине волны накачки происходит только в слоях GaAs, dabs=1.3 мкм.

Максимально возможная концентрация носителей в квантовых ямах определяется в соответствии с выражением (1). Предполагается, что каждый поглощенный фотон накачки рождает электрон-дырочную пару, которая впоследствии будет захвачена ямой. Распределение носителей по ямам будем считать равномерным

п2ВН®> р

х(п2Э)

(1)

где Ию - двумерная плотность концентрации электронов и дырок в квантовой яме, к(йр -энергия кванта накачки, - число квантовых ям, и т=т(п2о) - время жизни носителей в яме, которое в свою очередь известным образом определяется через параметры вещества [7]:

1

х(п2Э )

(

+ С

дш

2

12Э

дш

(2)

где = 5-10" с - время жизни носителей заряда по отношению к безызлучательной рекомбинации; В = 10"10 см3/с - коэффициент бимолекулярной рекомбинации; С = 3-10"30 см6/с - коэффициент Оже рекомбинации; dQW - толщина квантовой ямы.

Двумерная концентрация носителей в квантовых ямах при комнатной температуре, вычисленная в соответствии с выражениями (1) и (2), равна И2о=3-1012 см"2. В соответствии с результатами [9] при имеющемся разогреве на 50°С концентрация носителей не превышает 1.5-1012 см"2, что не достаточно для создания инверсии населенности в структуре. Таким образом, регистрируемые спектры являются в чистом виде люминесценцией структуры, неискаженной влиянием возможного усиления.

Принимая во внимание спектр невозмущенной люминесценции (кривая 1 на рис. 3), а также то, что в силу значительного скачка преломления на границе полупроводник-воздух указанным углам в воздухе соответствуют близкие к осевым (менее 18°) углы распространения в полупроводнике, был сделан вывод, что структура спектров излучения не связана с особенностями люминесценции материала, а является следствием влияния микрорезонатора. Поскольку эффективная толщина микрорезонатора (с учётом глубины проникновения поля внутрь брегговского зеркала), рассчитанная из взаимного положения мод микрорезонатора, не превышает 2.3 мкм и много меньше диаметра пятна накачки —200 мкм, то для обоснования структуры возникающих мод может быть использована модель плоскопараллельного резонатора. Одним (высокоотражающим) зеркалом является брегговское зеркало. Зависимость положения спектра отражения от угла падения определяется в соответствии с условием брегговского отражения:

(

ОаЛяйОаЛя СО&0ОаЛя

+

Л

Л1ОаЛяйЛ1ОаЛя со80ЛІОаЛя ]

2пОаАчйОаАч

1 -

81И

п

Рис. 3. Спектры люминесценции структуры в зависимости от угла наблюдения для различных поляризаций

На рис. 3 представлены спектры фотолюминесценции структуры для некоторых характерных углов наблюдения для двух взаимно ортогональных поляризаций.

и смещается в коротковолновую область при увеличении угла падения. При этом коэффициент отражения и ширина области отражения слабо зависят от угла. В последнем выражении 0осАе, @АЮаА.* @аг - углы распространения излучения в слоях ОаА^ ЛЮаЛ8 и воздухе соответственно.

В качестве второго зеркала выступает граница полупроводник-воздух. Зависимость величины коэффициента отражения от угла падения и поляризации падающего излучения определяется по формулам отражения Френеля. В соответствии с этим, различия в спектрах излучения для различных поляризаций минимальны для близких к нормали углов люминесценции, и в значительной степени проявляются при приближении к значениям угла Брюстера 0Бр*75° (см. рис. 3). При увеличении угла добротность ТМ моды падает; при превышении значения угла Брюстера фаза отраженного от границы излучения люминесценции внутри структуры изменяется на л, что соответствует смещению ТМ"моды в спектре относительно мод ТЕ-поляризации.

Таким образом, в микрорезонаторе (без антиотражающего покрытия) возникает различие в коэффициенте отражения для излучения с различной поляризацией (чему на спектрах соответствует меньшая ширина линии люминес-

X

0

ценции для ТЕ-компоненты). Соответствующее этому различию изменение в пороге генерации (в конфигурации с внешним зеркалом) для различных поляризаций может быть объяснено введением эффективного коэффициента отражения от внешнего зеркала [7, с. 80]:

ref =

rint + rme

—4nid cos0/A.

1 + rintrme

—4nid cos0/A.

где rг„^=rг„^(0TE/TM) - коэффициент отражения от границы полупроводник-воздух, г„, - коэффициент отражения внешнего зеркала. Слагаемые с экспоненциальным множителем описывают фазовый набег во внешнем плече резонатора. Спектр эффективного коэффициента отражения (а следовательно и оптических потерь на излучение) является осциллирующей функцией длины волны, амплитуда модуляции которого определятся значениями гш и г^ а при фиксированном коэффициенте отражения внешнего зеркала - только коэффициентом отражения от границы микрорезонатора. Поскольку значение коэффициента отражения для компоненты поля с ТЕ"поля" ризацией превышает значение такового для ТМ-поляризации, то при увеличении угла отклонения внешнего плеча резонатора относительно нормали к поверхности структуры преимущественным будет генерация ТЕ-поляризации. Таким образом, У-образная форма резонатора может быть использована для генерации поляризованного излучения без использования дополнительных поляризующих элементов во внешнем плече резонатора при одновременном спектральном согласовании моды микрорезонатора для заданного угла и линии усиления вещества.

Заключение

В работе рассмотрены вопросы, связанные с условиями формирования мод люминесценции в полупроводниковом микрорезонаторе, образованном двумя плоскими зеркалами, одно из которых является многослойным брегговским

отражателем с коэффициентом отражения, превышающим R=0.99. Полученные спектры результирующего коэффициента отражения, а также угловые распределения ортогональных по поляризации компонент люминесценции показывают, что за счет технологического подбора и последующего управления комбинацией параметров (угол вывода излучения по отношению к нормали для поверхности полупроводника, подстройка рабочей температуры) можно обеспечить селекцию требуемой поляризации оптического поля для дальнейшего ее использования при получении лазерной генерации в конфигурации с внешним резонатором.

Авторы выражают благодарность сотрудникам лаборатории физики полупроводниковых гетероструктур ФТИ им. Иоффе РАН под руководством В.М. Устинова, принимавшим участие в изготовлении структуры, и лично М.В. Максимову за содействие в организации роста структуры и первичных постростовых измерений.

Работа выполнена при поддержке АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы (20092011гг), проект № 2.1.1/3603 и ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (контракт № 02.740.11.0563).

Список литературы

1. Kuznetsov M. е! al. // IEEE Photonics Technol. Lett. 1997. V. 8. P. 1063.

2. Gamache A. // Proc. of SPIE. 2011. V. 7919. P. 791914-1-11.

3. Koch S.W // Proc. of SPIE. 2010. V. 7597. P. 759700-1-14.

4. Fan Li. // Appl. Phys. Lett. 2006. V. 88. P. 021105

5. Jacquemet M. // Appl. Phys. 2007. V 86. P. 503-510.

6. Kuhn E. // J. Appl. Phys. 2009. V. 106. P. 063105.

7. Coldren L.A., Corzine S.W. Diode lasers and photonic integreted circuit. New York: Wiley, 1995. 594 p.

8. Adachi S. // J. Appl. Phys. 1985. V. 58. No. 3. P. R1-R29.

9. Zakharian A.R. // Appl. Phys. Lett. 2003. V. 83. No. 7. P. 1313-1315.

POLARIZATION FEATURES OF RADIATION IN SEMICONDUCTOR VCSEL STRUCTURES D.E. Svyatoshenko, A.A. Andronov, A. V. Marugin

Photoluminescence spectra features relating to the field distribution inside the microcavity formed by a Bragg reflector and the semiconductor-air interface are considered. The angular dependent photoluminescence spectra are presented for two mutually orthogonal polarizations. The measurements performed have allowed the authors to analyze mutual agreement of the microcavity and active medium temperature-related parameters, to determine the operating ranges of parameter values providing their matching for the given structure in the system with the external resonator. The measurement results can be used to obtain linearly polarized radiation in vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) with a V-shaped cavity of the external resonator without any additional polarizing elements.

Keywords: vertical-cavity surface-emitting lasers, optical pumping, photoluminescence of semiconductors, multilayer Bragg mirrors.