Оглавление:
Введение...............................................................4
Глава 1. Обзор литературы.............................................13
1.1. Подавление генерации поперечных мод высокого порядка.____________13
1.2. Увеличение мощности______________________________________________15
1.3. Отвод тепл а_____________________________________________________19
1.4. Снижение пороговой плотности тока полупроводникового лазера. 21
1.5. Увеличение внешней дифференциальной эффективности и КПД
лазерного диода._______________________________________________23
1.6. Методы исследования распределения потенциала в
полупроводниковых гетероструктурах.____________________________25
1.7. Выводы из обзора литературы:_____________________________________26
Глава 2. Селекция мод.................................................28
2.1. Способ расчета профиля мод для диэлектрического волновода с
произвольным профилем показателя преломления.__________________29
2.2. Волновод с обратным градиентом показателя преломления. __________33
2 з Лазеры с наклонными зеркалами.____________________________________42
2.4. Результаты численных расчетов коэффициентов отражения мод в
лазерах с наклонными зеркалами.________________________________43
2.5. Результаты измерений лазеров с наклонными зеркалами._____________47
Глава 3. Способы увеличения максимальной оптической мощности лазерных диодов.......................................................50
3.1. Связь пороговой плотности тока и дифференциальной
эффективности лазерных диодов._________________________________51
3.2. Выбор длины резонатора лазерного диода.__________________________60
3.3. Снижение плотности мощности на зеркалах полупроводниковых
лазеров._______________________________________________________65
2
3.4. Увеличение плотности мощности катастрофической оптической
деградации зеркал.____________________________________________66
3.5. 11рименение сканирующей микроскопии электростатических сил для
наблюдения распределения полей в полупроводниковых лазерных
диодах. _____________________________________________________71
Глава 4. Фундаментальные физические ограничения на максимальную выходную мощность полупроводниковых
инжекционных лазеров................................................76
Глава 5. Заключение.................................................86
3
Введение
С тех пор как впервые были высказаны идеи, лежащие в основе полупроводниковых лазеров [1], и получено экспериментальное подтверждение этих идей [2], предложены полупроводниковые гетеролазеры [3] и лазеры с раздельным ограничением [4], были достигнуты значительные успехи в изготовлении и изучении таких лазеров.
Полупроводниковые лазерные диоды находят вес более широкое применение в различных областях науки и техники. Одной из основных характеристик лазерных диодов является выходная оптическая мощность. К моменту начала работы над диссертацией в 1989 году максимально возможная выходная мощность лазера со ЮОмкм полоском в непрерывном режиме генерации составляла 1Вт. Считалось, что при больших мощностях излучения будет превышен предел лучевой прочности материала лазерного диода. За прошедшее время точка зрения на основные факторы, ограничивающие мощность излучения лазерного диода, изменилась. В настоящее время лучшие значения мощности излучения лазеров со ЮОмкм полоском превышают 10Вт [5] в непрерывном режиме, и ограничены перегревом лазерного диода и катастрофической оптической деградацией зеркал.
До настоящего времени нет экспериментальных и теоретических оценок - возможно ли дальнейшее увеличение мощности лазерных диодов. Таким образом, работа по исследованию полупроводниковых лазеров остается актуальной и в настоящее время. Работа, результаты которой представлены здесь, была посвящена ответу на следующий вопрос: возможно ли в рамках существующих технологий увеличить мощность излучения полупроводниковых лазеров, какие механизмы и физические процессы могут ограничивать эту мощность, и какие изменения
4
необходимо внести в конструкцию лазерных диодов, чтобы добиться увеличения мощности излучения лазерных диодов. Для исследований были выбраны наиболее распространенные полупроводниковые ГпСаЛэ/ОаАз/АЮаЛз квантоворазмерные лазерные диоды на двойной гетероструктуре с раздельным ограничением для носителей и света (РО-ДГС-КЯ).
Структура работы продиктована темой. В первой главе приведен обзор статей по темам, касающимся предмета диссертации:
- удержание генерации полупроводниковых лазеров на нулевой поперечной моде;
- способы увеличения максимальной мощности излучения полупроводниковых лазеров;
- отвод тепла от активной области лазерного диода;
- снижение пороговой плотности тока лазерного диода;
- увеличение внешней дифференциальной квантовой эффективности и КПД лазерного диода.
В конце главы приведены выводы из обзора литературы:
- максимальная оптическая мощность может быть получена в лазерах с раздельным электронным и оптическим ограничением на двойной гетероструктуре с квантоворазмерной активной областью (РО-ДГС-КЯ).
- основными причинами, Офаничивающими мощность излучения полупроводниковых лазеров, в настоящее время, являются катастрофическая оптическая деградация зеркал и перегрев лазерной гетерострукт>ры.
Во второй главе представлены результаты исследований различных конструкций резонатора лазерных диодов, позволяющих сохранить генерацию в нулевой поперечной моде в широком диапазоне токов накачки.
5
Моды высокого порядка имеют меньшую дифференциальную эффективность из-за меньшего фактора оптического ограничения в активной области и больших потерь в эмиттерных слоях. Кроме того, при одинаковой мощности излучения яркость нулевой моды выше яркости всех мод высокого порядка. Таким образом, для получения высоких мощностей излучения больше всего подходят лазерные диоды, работающие на нулевой поперечной моде.
В современных полупроводниковых РО-ДГС-КЯ лазерах большой мощности для снижения плотности мощности на зеркалах используют волноводы как можно большей толщины. Экспериментальные данные, опубликованные в литературе, и результаты исследований, представленные в этой главе, показывают, что максимальные значения толщин волноводов ограничены возникновением генерации поперечных мод высокого порядка. С целью подавления генерации этих мод в диссертации предложена конструкция РО-ДГС-КЯ гетероструктуры для мощных полупроводниковых лазерных диодов. Особенностью предложенной РО-ДГС-КЯ гетероструктуры является волновод с обратным градиентом показателя преломления (11-СК1Кт волновод). В таком волноводе появляются дополнительные селективные потери для мод высокого порядка.
Во второй части главы 2 предложена и исследована конструкция резонатора РО-ДГС-КЯ лазерных диодов с наклонными зеркалами. Эти лазерные диоды отличаются от традиционных тем, что их зеркала расположены не перпендикулярно, а под углом к эпитаксиальным слоям гетероструктуры.
Угол падения поперечных мод на зеркало резонатора монотонно зависит от номера моды. Это легло в основу предположения, что за счет наклона зеркал резонатора, можно подавить генерацию поперечных мод
6
высокого порядка в мощных РО-ДГС-КЯ лазерных диодах с широким волноводом.
С целью проверки эффективности наклонных зеркал для подавления генерации мод высокого порядка был использован оригинальный экспериментальный подход. Для изготовления лазеров с обычным и наклонным зеркалом была использована подложка GaAs (001), разориентированная на угол 6 градусов в сторону [111]. Лазерные диоды с обычными и наклонными зеркалами выкалывались из этой эпитаксиальной структуры в двух взаимно перпендикулярных направлениях так, что у первых зеркало было перпендикулярно слоям, а у вторых - наклонено на угол разориентации подложки.
Сравнение дальних полей лазеров с обычными и наклонными зеркалами, показало, что в излучении лазера с обычным зеркалом присутствуют моды высокого порядка. В излучении лазеров с наклонными зеркалами моды высокого порядка либо вообще не проявляются, либо возникают при очень больших токах накачки.
В конце главы сформулированы основные результаты применения способов управления модовым составом излучения РО-ДГС-КЯ лазеров: конструкция гетсроструктуры с обратным градиентом показателя преломления позволяет использовать волноводы большей толщины, при сохранении генерации на нулевой поперечной моде; выбор угла наклона и степени просветления зеркал резонатора позволяет подавить генерацию мод высокого порядка в лазерных диодах с большой толщиной волновода.
Третья глава посвящена увеличению предельной выходной мощности лазерных диодов. В первой части главы изучается влияние длины резонатора и степени просветления зеркал на внешнюю дифференциальную квантовую эффективность и коэффициент полезного действия лазерного диода. По результатам исследований предложен
7
способ выбора оптимальной длины резонатора и степени просветления зеркал для получения максимальных значений внешней дифференциальной квантовой эффективности и КПД.
Во второй части третьей главы исследуются способы увеличения предельной непрерывной оптической мощности РО-ДГС-КЯ InGa As/Ga As лазерных диодов.
Максимальная мощность современных РО-ДГС-КЯ лазерных диодов ограничена либо катастрофической оптической деградацией зеркал, либо насыщением ватт-амперной характеристики, вызванным перегревом активной области. Увеличения мощности можно достичь за счет снижения плотности мощности на зеркале лазерного диода и за счет улучшения условий отвода тепла от активной области.
Исследование влияния профиля волновода на значение плотности оптической мощности показало, что для снижения плотности мощности на зеркале лазерного диода может быть использован R-GRIN волновод. Результаты приведенных расчетов показывают, что плотность мощности на зеркале лазера может быть уменьшена в 1.2 раза по сравнению со случаем обычного плоского волновода. Сравнение ватт-амперных характеристик лазеров с различной конструкцией волноводов подтверждает, что предельная мощность лазеров с R-GRIN волноводом больше, чем у аналогичных лазеров с плоским волноводом.
Основным источником тепла в РО-ДГС-КЯ лазере является активная область, поэтому основное внимание уделено организации отвода тепла от активной области лазера через волновод, эмиттер и контактный слой.
Для улучшения теплоотвода предложено использовать волновод, выполненный из короткопериодной бинарной сверхрешетки AlAs/GaAs, туннельно-прозрачной для носителей заряда. Коэффициенты теплопроводности бинарных материалов значительно больше
8
- Київ+380960830922