Параметры Стокса излучения мощных поперечно-одномодовых квантоворазмерных InGaAs/AlGaAs- гетеролазеров (19.09.2012)

Автор: Дьячков Николай Владимирович

На правах рукописи

Дьячков Николай Владимирович

Параметры Стокса излучения мощных поперечно-одномодовых квантоворазмерных InGaAs/AlGaAs-гетеролазеров

01.04.21 – "Лазерная физика"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном учреждении науки Физическом институте им. П.Н. Лебедева Российской академии наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Богатов А.П.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

А.В. Масалов (ФИАН),

доктор физико-математических наук, профессор

С.Д. Якубович (OOO «Суперлюминесцентные диоды»)

Ведущая организация: ФГУП «ИНЖЕКТ» г. Саратов.

Защита диссертации состоится _________________ на заседании Диссертационного Совета Д 002.023.03 в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН по адресу 119991, Москва, Ленинский проспект, д. 53.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФИАН.

Автореферат разослан «___» __________ 2012г

Ученый секретарь

Диссертационного Совета

Д 002.023.03 А.С. Шиканов

I. Общая характеристика работы.

Актуальность темы

Измерение и моделирование излучательных характеристик готового лазерного диода является наиболее простым и зачастую единственным способом исследования оптических свойств его резонатора. Это связано с тем, что область, отвечающая за формирование выходного излучения полупроводникового лазера, занимает малую часть его объема и является практически недоступной для прямого исследования. В свою очередь, можно считать, что изучение излучательных характеристик лазерного диода фактически эквивалентно зондированиию упомянутых областей диода его собственным излучением. В связи с этим можно сказать, что любая характеристика выходного излучения лазерного диода может представлять собой самостоятельную ценность, поскольку разные особенности выходного излучения должны, вообще говоря, определяться различными свойствами его резонатора. Одной из фундаментальных характеристик любого излучения является состояние его поляризации, которое наиболее полным образом характеризуется набором из четырех вещественных параметров, один из вариантов которого являют собой параметры Стокса. На самом деле, поскольку среди упомянутых параметров один фактически равен полной интенсивности излучения, для описания состояния поляризации оказывается достаточным использование трех параметров, нормированных на полную интенсивность, которые далее будут называться приведенными параметрами Стокса.

До настоящего времени поляризационная характеристика излучения полупроводниковых лазеров в полном виде не исследовалась. Для описания поляризации излучения лазерных диодов обычно использовалось не более одного параметра. Для лазеров, излучающих с торца, к которым относятся исследовавшиеся в работе диоды, этот параметр определяется соотношением между интенсивностями TE и TM компонент излучения и фактически является приведенным первым параметром Стокса. При этом для лазерного излучения существенным, как правило, считалось лишь доминирование оной из его компонент – TE или TM. В связи с этим повышенный интерес к поляризации прежде всего, спонтанного излучения имел место применительно к лазерам с объемной активной областью, в которых в силу симметрии волновых функций носителей спонтанное излучение в идеальном случае должно быть естественно поляризованным, а отличие состояния его поляризации от естественного может быть связано, прежде всего, с наличием механических напряжений активной области. Обнаружение механических напряжений структуры лазерного диода, вызванных дефектами технологии их изготовления, является актуальной задачей, поскольку наличие таких напряжений может напрямую влиять на срок службы лазерного диода, практически не оказывая при этом влияния на его базовые характеристики. На сегодняшний день подавляющее число используемых лазерных диодов имеют квантоворазмерную активную область. Тем не менее, связь особенностей поляризации спонтанного излучения полупроводниковых лазеров (электролюминесценции) с наличием механических напряжений до настоящего времени зачастую рассматривалась по аналогии со случаем объемной активной области. При этом на данный момент фактически отсутствуют работы, посвященные исследованию особенностей поляризации спонтанного излучения лазеров с квантоворазмерной активной областью, которая должна существенно отличаться от случая объемной активной области. Так, например, из-за эффекта размерного квантования состояние поляризации спонтанного излучения из такой активной области должно быть существенно отлично от естественного даже при отсутствии механических напряжений. Что касается лазерного излучения, то его поляризация для случая упомянутого типа лазеров по умолчанию предполагается линейной и соответствующей доминирующей поляризационной моде (обычно TE). При этом работ, подтверждающих такое предположение, нами не обнаружено. В свою очередь, есть основания полагать, что поляризация лазерного излучения такого типа лазеров может быть отличной от линейной, и это отличие может быть в первую очередь обусловлено наличием механических деформаций их волноводных слоев, вызванных дефектами технологического процесса изготовления лазеров.

В качестве объектов исследования были выбраны мощные поперечно-одномодовые лазеры с квантоворазмерной активной областью и с гребневой конструкцией оптического волновода, работающие в ближнем ИК- диапазоне. Этот тип полупроводниковых лазеров на данный момент является наиболее распространенным и наилучшим образом изученным, что, прежде всего, обусловлено его высокими (близкими к рекордным) характеристиками при относительной простоте устройства. Кроме того, с точки зрения анализа последующих экспериментальных результатов этот тип лазеров представляет собой наиболее "чистый" случай, поскольку в лазерах этого типа влияние на излучательные характеристики посторонних – несущественных для данного исследования – эффектов сведено к минимуму.

Цели работы

Экспериментальное исследование поляризации излучения в терминах параметров Стокса для мощных гребневых лазеров;

Оценка информативности параметров Стокса как самостоятельной характеристики лазерных диодов;

Проверка применимости трехзонной модели оптических переходов для моделирования поляризационной характеристики.

Научная новизна

Разработана и опробована оригинальная методика для исследования поляризационных характеристик полупроводниковых лазеров, включающая в едином процессе автомтизированный сбор данных с их последующей численной обработкой и выходом рафинированных данных в виде параметров Стокса. При разработке методики учитывались особенности излучения полупроводниковых лазеров – прежде всего существенная ширина их спектра, включающего, как правило, несколько продольных мод. В работе продемонстрирована достаточность точности разработанной методики для регистрации не только отличия от нуля, но и динамики изменения с током всех параметров Стокса излучения в том числе и самых совершенных на сегодняшний день образцов гребневых поперечно-одномодовых лазеров.

Впервые исследованы параметры Стокса полупроводниковых лазеров на основе двух различных – напряженной и ненапряженной – квантоворазмерных гетероструктур в допороговом и лазерном режимах работы. Впервые обнаружено, что параметры Стокса излучения поперечно-одномодового полупроводникового лазера могут определяться такими особенностями его структуры, которые могут практически не оказывать влияния на другие его характеристики, но при этом существенно влиять, например, на скорость медленной деградации лазерного диода. Таким образом, параметры Стокса являются более чувствительным индикатором оптического совершенства структуры лазера по сравнению с ранее использовавшимися.

Установлено влияние на параметры Стокса явления ``kink'', отражающееся на токовых зависимостях других характеристик лазера и вызванное искажением поперечного распределения поля волноводной моды лазера из-за пространственно-неравномерного выгорания носителей. Это может быть обусловлено как пространственной неоднородностью распределения особенностей структуры лазера, определяющих поляризацию его излучения, так и флуктуациями разности модовых коэффициентов преломления для TE и TM мод волновода лазера.

Впервые показано, что трехзонная модель оптических переходов без учета смешивания зонных состояний дает адекватный результат при оценке степени поляризации и моделировании спектра различных поляризационных компонент спонтанного излучения полупроводниковых лазеров с квантоворазмерной активной областью. Ранее эта модель проверялась на адекватность при моделировании спектрального профиля усиления для лазерной моды. Новые результаты служат дополнительным свидетельством в пользу выбора рассматриваемой модели для инженерии оптических свойств квантоворазмерных полупроводниковых слоев.

Практическая ценность

Разработанная в работе методика измерения параметров Стокса выходного излучения полупроводниковых лазеров позволяет получать приемлемую для извлечения полезной информации точность измерения с использованием ординарных оптических элементов. При этом весь процесс измерения может быть полностью автоматизирован. Это дает возможность использовать упомянутую методику в том числе и для массового тестирования получаемых образцов на производстве – как для паспортизации образцов.

Обнаруженная в работе чувствительность параметров Стокса полупроводниковых лазеров к трудновыявляемым дефектам структуры волновода дает основание полагать, что учет поляризационной характеристики может открывать новые возможности для создания более реалистичных моделей работы полупроводниковых лазеров, поскольку позволяет использовать дополнительную, ранее скрытую, информацию об их структуре.

Показано, что значения параметров Стокса выходного излучения гребневых поперечно-одномодовых лазеров могут служить количественной мерой наличия сдвиговых деформаций волноводных слоев его гетероструктуры. Эти напряжения являются дефектами структуры, которые в свою очередь могут определять скорость медленной деградации лазера. Это дает основание рассматривать параметры Стокса в качестве величин, характеризующих возможный срок службы лазерного диода.

Результаты моделирования поляризационных свойств спонтанного излучения квантоворазмерных активных слоев в рамках трехзонной модели служат дополнительным свидетельством в пользу выбора такой модели для инженерии оптических свойств квантоворазмерных полупроводниковых слоев.


загрузка...