CC BY
66
Физика твердого тела Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2009, № 3, с. 49-54
УДК 621.382
СМЕШЕНИЕ ЧАСТОТ В ПОЛУПРОВОДНИКОВОМ ЛАЗЕРЕ С ДВУМЯ РАЗЛИЧНЫМИ КВАНТОВЫМИ ЯМАМИ И ОДНИМ ^-«-ПЕРЕХОДОМ
© 2009 г. С.М. Некоркин 1, АА. Бирюков 1, Б.Н. Звонков 1, М.Н. Колесников 1,
В.Я. Алешкин 2, А.А. Дубинов 2, Вл.В. Кочаровский 3
1 Научно-исследовательский физико-технический институт ННГУ им. Н.И. Лобачевского
2 Институт физики микроструктур Российской академии наук, г. Нижний Новгород
3 Институт прикладной физики Российской академии наук, г. Нижний Новгород
пекогкт@шШ. unn.ru
Поступила в редакцию 19.03.2009
Сконструирован, создан и исследован полупроводниковый лазерный диод с широкозонным слоем в волноводе, содержащий две различные несимметрично расположенные квантовые ямы и генерирующий одновременно ТЕ0 и ТЕ1 моды с длинами волн 1.05 мкм и 0.9 мкм соответственно в широком диапазоне токов накачки при температуре жидкого азота. Проведены наблюдения излучения суммарной частоты, демонстрирующие возможность внутрирезонаторного нелинейного смешения мод разного порядка в разработанном двухчастотном диодном лазере.
Ключевые слова: полупроводниковый лазер, двухчастотная генерация, внутрирезонаторное смешение мод, излучение суммарной частоты.
Введение
Как известно (см., например, [1-3]), компактные маломощные источники излучения среднего и дальнего ИК-диапазонов могут быть созданы на основе диодных гетеролазеров, обеспечивающих внутрирезонаторную генерацию излучения разностной частоты за счет нелинейного смешения двух близких по частоте лазерных мод. Недавно были получены первые экспериментальные результаты [4, 5], подтверждающие техническую осуществимость этого подхода. В его простейших реализациях, однако, для соблюдения условия фазового синхронизма участвующих во взаимодействии мод необходимо, чтобы лазерная мода с большей частотой имела более высокий поперечный индекс, чем лазерная мода с меньшей частотой. Для выполнения этого условия в [4, 5] была использована двухчиповая конструкция лазера, в которой излучение моды ТЕ0 генерировалось в одном чипе и вводилось в другой чип, генерирующий ТЕ1-моду и обеспечивающий смешение указанных мод. Подобная конструкция требует очень точного совмещения волноводов двух чипов, что является непростой задачей. Отметим, что ранее в нашей группе были созданы каскадные межзонные лазеры с туннельным p-n-переходом и двумя квантовыми ямами в едином волноводе [6], которые генерировали
одновременно две различные поперечные моды. Однако в таких лазерных диодах из-за неустойчивости тиристорного типа удалось добиться лазерной генерации только при импульсной накачке. Что касается двухчастотной генерации диодных лазеров на двух близких по частоте основных модах, то она невозможна в сколько-нибудь широкой области токов накачки из-за сильного поглощения высокочастотной моды в квантовой яме, призванной генерировать низкочастотную моду (см. [2, 3] и указанную там литературу).
В настоящей работе представлены результаты создания и исследования одночипового лазера с двумя различными квантовыми ямами и одним р-и-переходом, предназначенного для одновременной генерации различающихся по частоте ТЕ0 и ТЕ1 мод на основе гетероструктуры GaAs (волноведущий слой и контакты)/InGaAs (квантовые ямы)/InGaP (ограничивающие слои). Удалось получить генерацию ТЕ0 и ТЕ1 мод в непрерывном режиме при температуре 77 К в широком диапазоне значений тока накачки и продемонстрировать их нелинейное смешение путем наблюдения излучения суммарной частоты.
Особенности конструкции волновода лазера
Казалось бы, для одновременной генерации двух мод ТЕ0 и ТЕ1 с разными частотами в полупроводниковом лазерном диоде можно ис-
пользовать волновод традиционной конструкции. Для этого следовало бы поместить квантовую яму, генерирующую ТЕ0-моду (частота которой меньше), в центре волноводного слоя, где находится узел ТЕ^моды (частота которой больше), чтобы избежать сильного поглощения этой моды в квантовой яме, генерирующей ТЕ0-моду. Квантовую яму для генерации ТЕ1-моды следовало бы расположить в пучности этой моды.
Однако, как показывают расчеты [7], такая конструкция оказывается неэффективной, поскольку из-за малой дискриминации мод вторая квантовая яма, предназначенная для генерации ТЕ1-моды, будет генерировать и ТЕ0-моду с той же, более высокой частотой. Для того чтобы преодолеть эту трудность, мы ввели дополнительный тонкий слой InGaP в волноведущий слой GaAs (см. табл.), аналогично тому как это было
<и
К
н
о
N
нр
н о
03
СФ
сч
03
0 Ч
2 ч оь н к и
Н о
1 ^ Ж
с С)
о
и
о
ч
Л
к
03
н
к
к
я
к
4
3
0
2, мкм
Рис. 1. Зависимости действительной части коэффициента преломления (верхняя линия) и квадратов электрических полей в модах ТЕо (сплошная кривая) и ТЕї (штриховая кривая) от координаты (в направлении поперек р-п-перехода лазера). Стрелками показано положение коротковолновой (2^1) и длинноволновой (2^2) квантовых ям в структуре. Слои структуры: 1, 3, 5, 7 - ОаЛз, 2, 4, 6 - ІпОаР, 8 - Аи
Таблица
Параметры слоев гетеролазера с одним р-и-переходом и двумя квантовыми ямами в волноводе
Номер слоя Состав слоя Тип проводимости Концентрация носителей, см-3 Толщина слоя, нм
1 GaЛs (подложка) п 17 5-10 —160мкм
2 МаР п 18 10 750
3 GaЛs нелегированный - 80
4 1п Ga As 0.16 0.84 ^1) нелегированный - 9
5 GaЛs нелегированный - 95
6 IпGaP Р 17 5-10 90
7 GaЛs нелегированный - 80
8 1п Ga Лs 0.36 0.64 (QW2) нелегированный - 9
9 GaЛs Р 17 5-10 235
10 IпGaP Р 18 10 750
11 контактный слой Р 19 10 350
сделано в одночастотном лазере, генерирующем ТЕ1-моду [7]. Этот слой значительно изменяет структуру поля обеих мод и позволяет добиться устойчивой генерации ТЕ1-моды без примеси ТЕ0-моды той же частоты в широком диапазоне токов накачки. Как видно из рис. 1, квантовые ямы для генерации ТЕ! и ТЕ0 мод расположены асимметрично, вблизи соответствующих пучностей электрического поля этих мод.
Следует отметить, что предложенная конструкция весьма чувствительна к местоположению квантовой ямы, генерирующей ТЕ0-моду. Дело в том, что эта длинноволновая квантовая яма очень эффективно поглощает излучение коротковолновой ТЕ^моды, и поэтому разнесение местоположений узла последней и указанной квантовой ямы из-за технологической ошибки даже в десять нанометров приводит к
ч
и
К
н
о
А, мкм
Рис. 2. Спектральные характеристики лазера, измеренные при комнатной температуре и непрерывной накачке с силой тока: 1 - 0.5 А, 2 - 0.9 А, 3 - 1.6 А, 4 - 2 А
0.90 0.91 1.05 1.06 1.07
А, мкм
Рис. 3. Спектральные характеристики лазера, измеренные при температуре жидкого азота и непрерывной накачке с силой тока: 1 - 1 Л, 2 - 2 Л, 3 - 3 Л
росту коэффициента поглощения ТЕ1-моды на десятки обратных сантиметров и может помешать двухчастотной генерации.
Характеристики лазеров при комнатной и азотной температурах
Лазерная структура была выращена методом МОС-гидридной эпитаксии при атмосферном давлении. Параметры слоев приведены в таблице. Лазерные диоды с шириной активной области 100 мкм были изготовлены путем химического травления контактного слоя вне активной полоски с последующей протонной имплантацией вскрытой поверхности IпGaP. После нанесения контактов и раскалывания приготовленного образца получающиеся чипы длиной около 1 мм напаивались на медные теплоотводы структурой вниз для работы лазеров в непрерывном режиме генерации.
На рис. 2 приведены спектральные характеристики, измеренные при непрерывном токе накачки при комнатной температуре. Из рисунка видно, что при токах меньше 2 А имеется электролюминесценция в двух спектральных областях с длинами волн около 0.95 мкм и 1.125 мкм. При токе около 2 А наблюдается резкий рост интенсивности и обужение коротковолновой линии, что свидетельствует о возникновении стимулированного излучения на длине волны 0.95 мкм. Стимулированное излучение на длине волны 1.25 мкм при комнатной температуре не наблюдалось.
При азотной температуре в непрерывном режиме наблюдалась не только одночастотная генерация коротковолновой моды при токе
1-2 А, но и одновременная генерация стимулированного излучения на двух длинах волн А = = 0.9 мкм и А = 1.05 мкм в широком интервале токов 2-5 А. Измеренные спектры при 77 К приведены на рис. 3. Типичная эффективная температура лазерной генерации составляла 50 К. Увеличение тока накачки приводило к увеличению интенсивности генерации как коротковолновой линии (при токах 1-5 А), так и длинноволновой линии (при токах 2-5 А), причем при токах 3-5 А мощности излучения в обеих линиях были одного порядка (0.1-0.5 Вт каждая). Дифференциальная эффективность генерации для различных образцов лежала в пределах от 5% до 15%. При токе накачки выше 5 А лазеры быстро, за несколько минут, деградировали.
Учитывая, что для возникновения генерации необходимо, чтобы усиление в лазере превышало потери, отметим, что наиболее важными из потерь в полупроводниковых лазерах данного
типа являются потери из-за поглощения свободными дырками. Внесение в волновод дополнительного тонкого слоя IпGaP, обладающего существенно большей шириной запрещенной зоны по сравнению с GaAs, приводит к необходимости сильного легирования широкой части волновода и тонкого слоя IпGaP для протекания тока через р-и-переход. Это создает дополнительные потери для основной моды. В рамках настоящей работы была предпринята попытка оптимизировать разрабатываемую структуру. В частности, была уменьшена область легирования в окрестности длинноволновой квантовой ямы, что привело к существенному снижению порога генерации длинноволновой ямы. Другие результаты оптимизации такой структуры будут изложены в дальнейших публикациях.
Диаграммы направленности и излучение суммарной частоты
Для того чтобы установить модовый состав лазерной генерации, были исследованы диаграммы направленности излучения в плоскости, перпендикулярной р-и-переходу. На рис. 4 представлены измеренные при Т = 77 К и рассчитанные диаграммы направленности. Диаграмма направленности излучения с длиной волны А = 1.05 мкм имеет один максимум, характерный для ТЕ0-моды, причем рассчитанная диаграмма несколько уже наблюдаемой. Измеренная диаграмма направленности излучения на длине волны 0.9 мкм имеет характерный для ТЕ1-моды двухгорбый профиль. Отметим, что различия рассчитанных и измеренных диаграмм направленности могут быть обусловлены несовершенством сколов граней чипа, которые играют роль зеркал.
Для выявления нелинейного внутрирезона-торного взаимодействия полей в двух частотных полосах были проведены наблюдения генерации излучения вторых и суммарной частот. Смешение частот в резонаторе лазера происходит благодаря квадратичной нелинейности решетки полупроводника GaAs [1-3, 8]. Результаты наблюдений приведены на рис. 5. На спектрограмме присутствуют вторые гармоники для длинноволнового излучения, представленного ТЕ0-модой, и для коротковолнового излучения, представленного ТЕ1-модой. Наблюдается также спектральный пик с максимумом на суммарной частоте этих мод. Наблюдение излучения суммарной частоты является прямым свидетельством смешения двух мод разного порядка внутри резонатора данного лазера с одним р-и-переходом и доказывает одновременность
Угол, град
Рис. 4. Рассчитанные (сплошная кривая для ТЕ0-моды, штриховая кривая для ТЕгмоды) и измеренные (квадраты для X = 1.05 мкм, треугольники для X = 0.9 мкм) диаграммы направленности интенсивности излучения в плоскости, перпендикулярной р-и-переходу лазера
А, мкм
Рис. 5. Спектр генерации излучения вторых гармоник и суммарной частоты при температуре жидкого азота и постоянном токе накачки 2 А: 1, 2 - вторые гармоники для ТЕ1- и ТЕ0-мод соответственно; 3 - суммарная частота
генерации полей, отвечающих двум спектральным максимумам.
Заключение
Таким образом, из приведенных экспериментальных результатов следует, что разработанный лазер в непрерывном режиме в широком диапазоне токов накачки (2-5 А) одновременно генерирует две моды: ТЕ0-моду с длиной
волны 1.05 мкм и ТЕ1-моду с длиной волны
0.9 мкм (при температуре 77 К). При комнатной температуре наблюдалась генерация только ТЕ1-моды с длиной волны 0.95 мкм. Присутствие излучения суммарной частоты указывает на возможность генерации излучения разностной частоты в одночиповой конструкции полупроводникового лазера с одним р-и-переходом за счет нелинейного смешения мод с различными поперечными индексами. Ожидаемая мощность
подобной генерации существенно зависит от выполнения условий фазового синхронизма взаимодействующих мод, особенностей вывода и поглощения излучения разностной частоты и других факторов, экспериментальное изучение которых планируется в дальнейшем.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранты 07-02-12177-офи, 08-02-97034-р_поволжье_а, 07-
02-00486), программы РАН «Современные проблемы радиофизики», программы фундаментальных исследований ОФН РАН «Физические и технологические исследования полупроводниковых лазеров, направленные на достижение предельных параметров», Президента РФ (грант МК-3344.2007.2), госконтракта Минобрнауки № 02.518.11.7031.
1. Алешкин В.Я., Афоненко А.А., Звонков Н.Б. // ФТП. 2001. Т. 35. С. 1256.
2. Белянин А.А., Деппе Д., Кочаровский В.В. и др. // Усп. физ. наук. 2003. Т. 173. С. 1015.
3. Andrianov A.V., Kukushkin V.A., Ko-charovsky Vl.V. et al. // Proc. SPIE. 2007. V. 6729. P. 672908.
4. Zvonkov B.N., Biryukov A.A., Ershov A.V. et al. // Appl. Phys. Lett. 2008. V. 92. P. 021122.
5. Звонков Б.Н., Бирюков А.А., Некоркин С.М. и др. // ФТП. 2009. Т. 43. С. 220.
6. Nekorkin S.M., Biryukov A.A., Demina P.B. et al. // Appl. Phys. Lett. 2007. V. 90. P. 171106.
7. Бирюков А.А., Звонков Б.Н., Некоркин С.М. и др. // ФТП. 2008. Т. 42. С. 361.
FREQUENCY MIXING IN A SEMICONDUCTOR LASER WITH TWO DIFFERENT QUANTUM WELLS AND A p-n JUNCTION
S.M. Nekorkin, A. A. Biryukov, B.N. Zvonkov, M.N. Kolesnikov, V.Ya. Aleshkin,
A.A. Dubinov, VL V. Kocharovsky
A semiconductor laser diode with a wide bandgap layer and two different asymmetrically located quantum wells in a waveguide has been designed, fabricated, and investigated. The laser diode generates simultaneously TE0 and TE1 modes at wavelengths 1.05 ^m and 0.9 ^m, respectively, in a broad range of pumping currents at liquid nitrogen temperature. Observations of the sum frequency radiation have demonstrated a possibility of an intracavity nonlinear different order mode mixing in the developed dual-wavelength diode laser.
Keywords: semiconductor laser, dual-wavelength generation, intracavity mode mixing, sum frequency radiation.
Список литературы
8. Flytzanis C. // Phys. Rev. B. 1972. V. 6. P. 1264.
