Размещено на http://www.allbest.ru/

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(НАУЧНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Реферат

на тему «полупроводниковый лазер перестраиваемый по частоте»

Выполнил: студент группы 4В-401С

Ковалев А. В.

Руководитель: проф. каф. 407

Петрухин Г. Д.

Москва 2015

Содержание

1. Введение

2. Виды лазеров

3. Частотно-перестраиваемый полупроводниковый лазер полосковой конструкции

4. Частотно-перестраиваемый дисковый полупроводниковый лазер (WGM-лазер)

5. Лазеры на основе гетероструктур с квантовой ямой

6. Примеры модификаций частотно-перестраиваемого полупроводникового дискового лазера

7. Вывод

8. Список используемой литературы

полупроводниковый лазер дисковый частотный

1. Введение

Полупроводниковый лазер, полупроводниковый квантовый генератор, лазер с полупроводниковым кристаллом в качестве рабочего вещества. В П. л., в отличие от лазеров др. типов, используются излучательные квантовые переходы не между изолированными уровнями энергии атомов, молекул и ионов, а между разрешенными энергетическими зонами кристалла. В П. л. возбуждаются и излучают (коллективно) атомы, слагающие кристаллическую решётку. Это отличие определяет важную особенность П. л. -- малые размеры и компактность (объём кристалла ~10^-6--10^-2см³). В П. л. удаётся получить показатель оптического усиления до 10⁴ см^-1, хотя обычно для возбуждения генерации лазера достаточны и меньшие значения.

Другими практически важными особенностями П. л. являются:

- высокая эффективность преобразования электрической энергии в энергию когерентного излучения (до 30--50%);

- малая инерционность, обусловливающая широкую полосу частот прямой модуляции (более 10⁹ Ггц);

- простота конструкции;

возможность перестройки длины волны излучения и наличие большого числа полупроводников, непрерывно перекрывающих интервал длин волн от 0,32 до 32 мкм.

Изобретение относится к оптоэлектронной технике, а именно к полупроводниковым частотно-перестраиваемым источникам инфракрасного (ИК) излучения на основе лазера с дисковым резонатором, работающего на модах шепчущей галереи (Whispering Gallery Modes-WGM). Такие источники ИК излучения могут применяться в спектрометрии, медицине, оптических системах связи и передачи информации, в оптических сверхскоростных вычислительных и коммутационных системах, при создании медицинской аппаратуры. Полупроводниковый частотно-перестраиваемый источник инфракрасного излучения содержит полупроводниковый частотно-перестраиваемый дисковый лазер для диапазона длин волн 1.8ч4.5 мкм и два источника напряжения. Лазер включает подложку GaSb, квантово-размерную гетероструктуру, выращенную на подложке, резонатор и верхний и нижний омические контакты. Гетероструктура состоит из активной области, ограничительных слоев GaAlSbAs и контактного слоя GaSb. Активная область содержит волноводные слои GaAlAsSb, по меньшей мере, одну квантовую яму Ga1-xInxAsYSb1-Y с выбранными в соответствии с требуемой из диапазона 1.8ч4.5 мкм длиной волны доминирующей моды излучения составом и шириной из диапазона от 2 нм до 30 нм. Резонатор выполнен в форме диска или сектора диска. Нижний омический контакт нанесен на подложку, а верхний нанесен на фронтальную поверхность резонатора и состоит из двух электрически изолированных друг от друга частей. Источники напряжения выполнены с возможностью независимого приложения к двум частям упомянутого верхнего омического контакта постоянного, либо синхронизированного по фазе импульсного напряжения, противоположной полярности относительно нижнего контакта. Изобретение позволяет увеличить диапазон частотной перестройки доминирующей моды источника. 2 ил.

Частотно-перестраиваемый лазер -- лазер, длина волны излучения которого может изменяться в спектральном диапазоне, ширина которого существенно больше ширины линии излучения лазера. Далеко не все лазеры имеют такую возможность. Перестраиваемые лазеры могут быть твердотельными, жидкостными, волоконными, полупроводниковыми, гибридными и т. д. Наибольшие области спектральной перестройки линии излучения имеют твердотельные лазеры: титан-сапфировый лазер (690--1100 нм), Cr:ZnSe лазер (1970--2760 нм), Fe:ZnSe лазер (3950-5050 нм), и жидкостные лазеры: лазер на красителях (400--700 нм). В последние годы в связи с прогрессом в разработке высокоэффективных нелинейных кристаллов альтернативой перестраиваемым лазерам в ряде применений могут быть оптические параметрические генераторы, накачиваемые лазерами с фиксированной длиной волны излучения. Перестройка длины волны излучения такого генератора производится при помощи изменения ориентации или температуры нелинейного кристалла.

2. Виды лазеров

Титан-сапфировый лазер (Ti:Sapphire лазер, Ti:Sa лазер) -- лазеры с широкой полосой генерации (700--1100 нм). Активная среда титан-сапфирового лазера традиционно выполняется в виде короткого (2--10 мм) стержня (диска) из монокристалла сапфира (корунда -- Al₂O₃) с примесью ионов Ti³⁺. Концентрация примеси выбирается из условия поглощения примерно 90 % излучениянакачки. Широкая полоса усиления позволяет осуществлять перестройку длины волны лазерной генерации или генерацию сверхкоротких импульсов.

Сапфир, активированный ионами титана, принадлежит к классу вибронных кристаллов. Лазеры на вибронных кристаллах с пассивной синхронизацией мод за счёт керровской линзы являются третьим поколением лазеров сверхкоротких импульсов. Этот тип лазеров используется в основном в лабораторных экспериментах, поскольку требует стабильного и мощного лазера накачки. Обычно для накачки титан-сапфирового лазера применяют другой лазер, излучающий в зелёном диапазоне спектра. Таким лазером наиболее часто является непрерывный Nd:YAG / Nd:YVO4 лазер с диодной накачкой и внутрирезонаторным удвоением частоты. Также для цели накачки титан-сапфирового лазера могут использоваться лазеры на основе Yb (твердотельные и волоконные) с удвоением частоты, ранее накачка титан-сапфировых лазеров осуществлялась излучением сине-зелёных линий аргоновых лазеров.

Рис. 1 Титан-сапфировый лазер

Лазеры на красителях -- лазеры, использующие в качестве лазерного материала органические красители, обычно в форме жидкого раствора. Они принесли революцию в лазерную спектроскопию и стали родоначальником нового типа лазеров c длительностью импульса менее пикосекунды (Лазеры сверхкоротких импульсов).

В качестве накачки сегодня обычно применяют другой лазер, например Nd:YAG с диодной накачкой, или Аргоновый лазер. Очень редко можно встретить лазер на красителях с накачкой лампой-вспышкой. Основная особенность лазеров на красителях -- очень большая ширина контура усиления. Ниже приведена таблица параметров некоторых лазеров на красителях.

Рис. 2 Лазер на красителе

Существует две возможности использовать такую большую рабочую область лазера:

1. перестройка длины волны на которой происходит генерация -> лазерная спектроскопия

2. генерация сразу в широком диапазоне -> генерация сверх коротких импульсов

В соответствии с этими двумя возможностями различаются и конструкции лазеров. Если для перестройки длины волны используется обычная схема, только добавляются дополнительные блоки для термостабилизации и выделения излучения со строго определённой длиной волны (обычно призма, дифракционная решётка, или более сложные схемы), то для генерации сверх коротких импульсов требуется уже гораздо более сложная установка. Изменяется конструкция кюветы с активной средой. Из-за того, что длительность импульса лазера в конечном итоге составляет 100ч30·10^?15 (свет в вакууме успевает пройти лишь 30ч10мкм за это время), инверсия населённости должна быть максимальна, этого можно добиться только очень быстрой прокачкой раствора красителя. Для того чтобы это осуществить применяют специальную конструкцию кюветы со свободной струёй красителя (краситель прокачивается из специального сопла со скоростью порядка 10м/с). Наиболее короткие импульсы получаются при использовании кольцевого резонатора.

3. Частотно-перестраиваемый полупроводниковый лазер полосковой конструкции

Известен частотно-перестраиваемый полупроводниковый лазер полосковой конструкции для спектрального диапазона 2.0ч2.4 мкм, работающий вблизи комнатной температуры [Астахова А.П., Баранов А.Н., Висе А., Именков А.Н., Колчанова Н.М., Стоянов Н.Д., Черняев А.А., Яреха Д.А., Яковлев Ю.П. ФТП 37 (4), 502 (2003)]. Лазер включает квантоворазмерную гетероструктуру на основе полупроводниковых соединений, лазерный резонатор Фабри-Перо в виде двух сколотых граней, омические контакты. Квантоворазмерная гетероструктура на подложке n-GaSb состоит из активной области Ga_0.85Al_0.35Sb_0.97As_0.03 с тремя квантовыми ямами GaInAsSb шириной 10 нм каждая, ограничительных слоев Ga_0.1Al_0.9Sb_0.93As_0.07 и контактного слоя p-GaSb. Толщина полоска лазерного мезачипа 5 мкм, длина резонатора Фабри-Перо 200ч400 мкм. Длина волны излучения лазера в одномодовом режиме при небольшом превышении тока над пороговым может варьироваться от 2.0 до 2.4 мкм при комнатной температуре за счет изменения состава и, следовательно, ширины запрещенной зоны узкозонного материала квантовой ямы GaInAsSb. Длина волны основной моды исследуемого лазера составляет 2.26 мкм, пороговый ток - 50 мА. Наблюдалась частотная перестройка лазера при изменении тока и температуры в импульсном и квазинепрерывном режимах. В данных лазерах с резонатором Фабри-Перо при превышении тока над пороговым значением не более чем на 30-50% как в импульсном, так и в квазинепрерывном режимах питания обычно генерируется одна мода, интенсивность и длина волны излучения которой растет с током. В квазинепрерывном режиме питания для одномодового режима излучения наблюдается частотная перестройка длины волны излучения лазера с током со скоростью 0.07 нм/мА, а общее изменение составляет 1.2ч1.6 нм. В импульсном режиме питания при длительностях импульсов 1ч100 мкс и скважности более 20 изменение длины волны излучения лазера в 2ч10 раз меньше. В одномодовом режиме увеличение длины волны генерации лазера с ростом тока связано с нагревом активной области, в результате которого уменьшается ширина запрещенной зоны материала квантовой ямы, а также увеличивается коэффициент преломления в волноводе: Дл=лДn/n, где л - доминирующая длина волны генерации лазера, n - коэффициент преломления волновода. По оценкам увеличение температуры активной области при росте тока от 80 до 130 мА составляет 1К, быстродействие нагревания лазера током - 0.1 мкс. Дальнейшее увеличение тока более чем на 50% над пороговым значением приводит к многомодовому режиму генерации лазера, а именно к уменьшению интенсивности моды и появлению 3ч5 длинноволновых мод, что вызвано нелинейным оптическим взаимодействием мод. Доминирующей становится самая длинноволновая мода либо соседняя с ней, отстоящая на 3ч5 межмодовых расстояний от доминирующей, в одномодовом режиме. Таким образом, наблюдаются скачки мод, и перестройка длины волны излучения лазера не является плавной. При фиксированном токе с повышением температуры происходит добавление длинноволновых мод и увеличение доминирующей волны генерации лазера на 1.2 нм/К. Относительное изменение коэффициента преломления с температурой в 4 раза слабее, чем изменение ширины запрещенной зоны полупроводника, и дает увеличение длины волны отдельных мод резонатора всего на 0.2ч0.3 нм/К. Следовательно, при повышении температуры основным механизмом увеличения длины волны генерации лазера является уменьшение ширины запрещенной зоны узкозонного материала квантовой ямы, т.е классическая температурная зависимость ширины запрещенной зоны полупроводника.

Основным достоинством данного лазера является возможность частотной перестройки при изменении тока и температуры.

К основным недостаткам данного лазера с резонатором Фабри-Перо следует отнести сложность технологической реализации предложенной конструкции, узкий диапазон перестройки. Максимальный диапазон перестройки длины волны излучения лазера с учетом перескока мод в многомодовом режиме составляет не более 1.6 нм. Кроме того, наблюдаются скачки мод, т.е. перестройка лазера по частоте не является плавной.

4. Частотно-перестраиваемый дисковый полупроводниковый лазер (WGM-лазер)

Известен частотно-перестраиваемый дисковый полупроводниковый лазер (WGM-лазер), работающий на модах шепчущей галереи при комнатной температуре [А.Н.Именков, В.В.Шерстнев, М.А.Сиповская, А.П.Астахова, Е.А.Гребенщикова, A.M.Монахов, К.В.Калинина, G.Boissier, R.Teissier, A.H.Баранов, Ю.П.Яковлев. Письма в ЖТФ 35 (18), 50 (2009)], взятый за прототип. Лазер включает квантово-размерную гетероструктуру на основе полупроводниковых соединений, лазерный резонатор в форме полудиска, омические контакты. Квантово-размерная гетероструктура на подложке GaSb содержит последовательно выращенные ограничительный слой n-Al_0.9Ga_0.1As_0.08Sb_0.92, волноводный слой Al_0.25Ga_0.75As_0.02S_0.98, квантовую яму Ga_0.65In_0.35As_0.11Sb_0.89 шириной 10 нм, разделительный слой Al_0.25Ga_0.75As_0.02Sb_0.98 толщиной 30 нм, квантовую яму Ga_0.65In_0.35As_0.11Sb_0.89 шириной 10 нм, волноводный слой Al_0.25Ga_0.75As_0.02Sb_0.98, ограничительный слой р-Al_0.9Ga_0.1As_0.08Sb_0.92 и контактный слой p-GaSb. Обе квантовые ямы выполнены одинаковой толщины, причем наличие второй ямы гарантирует обеспечение работы лазера при возможном возникновении дефектов на границах квантовой ямы. Диаметр резонатора в форме половины диска 200 мкм, высота 15 мкм. Омический контакт со стороны подложки n-GaSb (нижний) является сплошным, омический контакт со стороны контактного слоя p-GaSb (верхний) выполнен в виде кольца шириной 30 мкм с внешним диаметром 180 мкм и отстоит от края резонатора на 10 мкм. Пороговый ток лазера составляет 120 мА. Длина волны доминирующей моды лазера, обусловленная выбором состава материала квантовых ям (Ga_0.65In_0.35As_0.11Sb_0.89) и их шириной 10 нм - 2.35 мкм. Частотная перестройка лазера производится при комнатной температуре (295 К) и импульсном питании в интервале токов I=200ч600 мА в зависимости от длительности импульса тока. В качестве импульсного источника питания используется генератор Г5-56, позволяющий подавать импульсы прямоугольной формы с длительностью от 0.1 до 10 мкс. На лазер подаются импульсы длительностью от 0.1 до 1.2 мкс, следующие с частотой 20 кГц. Питание прерывается с частотой 421 Гц и заполнением 0.5. Показано, что при токе I=600 мА с увеличением длительности импульса тока от 0.1 до 1.2 мкс наблюдается плавное смещение длины волны доминирующей моды излучения на 3 нм в длинноволновую сторону, т.е. наблюдается частотная перестройка лазера. В данном случае частотная перестройка обусловлена тем, что в процессе действия импульса тока активная область лазера нагревается, приводя к плавному увеличению коэффициента преломления в волноводе и уменьшению ширины запрещенной зоны материала квантовой ямы. Этот процесс приводит к увеличению длин волн собственных мод резонатора. При этом слабые моды не перестраиваются, так как они генерируются только на переднем фронте импульса. На плато импульса генерируется только одна доминирующая мода, длина волны которой изменяется на 3 нм с увеличением длительности импульса тока от 0.1 до 1.2 мкс (1=600 мА), что превышает межмодовое расстояние в 1.4 раза. При этом резонатор лазера нагревается на 30 К. Аналогичная частотная перестройка возможна при создании таких лазеров с квантовыми ямами другого состава и/или ширины, выбранными в соответствии с зависимостями, известными из опубликованных источников [например, Т.Hosoda, G.Belenky, L.Shterengas, G.Kipshidze, and M.V.Kisin. Appl.Phys.Lett. 92, 091106 (2008)], обеспечивающими излучение в диапазоне длин волн от 1.8. мкм до 4.5 мкм.

Увеличение диапазона перестройки до 3.0 нм в дисковом лазере по сравнению с 1.6 нм для полоскового лазера (с резонатором Фабри-Перо рис.3) обусловлено тем, что в дисковом лазере волна циркулирует по кругу, и, следовательно, резонатор имеет практически бесконечную длину.

Рис. 3 Резонатор Фабри-Перо

Это приводит к высокой добротности резонатора, что позволяет сохранить лазерный режим генерации при низком усилении и при более высоком значении тока. Так, при увеличении тока в лазере с резонатором Фабри-Перо до пяти пороговых значений происходит срыв лазерного излучения из-за ограниченной добротности резонатора, и дальнейшая перестройка невозможна. В дисковых лазерах лазерный режим генерации сохраняется до значений токов до двухсот пороговых, что позволяет увеличить диапазон частотной перестройки. Однако максимальная величина перестройки доминирующей моды ограничена конкурирующим процессом инжекции носителей заряда, при котором длина волны излучения смещается в коротковолновую сторону. Влияние инжекции носителей увеличивается с ростом тока, что приводит к остановке плавного увеличения длины волны за счет плавного увеличения коэффициента преломления в волноводе и уменьшения ширины запрещенной зоны материала квантовой ямы.

К достоинствам данного лазера можно отнести простоту технологии изготовления, увеличение диапазона частотной перестройки основной моды по сравнению с полосковым лазером до величин больших межмодового расстояния в 1.4 раза, плавный характер перестройки за счет высокой плотности носителей.

Основным недостатком устройства-прототипа является недостаточный диапазон перестройки доминирующей моды излучения.

Задачей, решаемой изобретением, является увеличение диапазона частотной перестройки доминирующей моды источника инфракрасного излучения в диапазоне длин волн (1.8ч4.5) мкм.

Задача решается полупроводниковым частотно-перестраиваемым источником инфракрасного излучения, содержащим полупроводниковый частотно-перестраиваемый дисковый лазер для диапазона длин волн 1.8ч4.5 мкм и два источника напряжения, упомянутый лазер включает подложку GaSb, квантово-размерную гетероструктуру, выращенную на подложке, резонатор и верхний и нижний омические контакты, упомянутая гетероструктура состоит из активной области, ограничительных слоев GaAlSbAs и контактного слоя GaSb, активная область содержит волноводные слои GaAlAsSb, по меньшей мере, одну квантовую яму Ga_1-XIn_XAs_YSb_1-Y с составом и шириной из диапазона от 2 нм до 30 нм, выбранными в соответствии с требуемой длиной волны доминирующей моды излучения из диапазона (1.8ч4.5) мкм, резонатор выполнен в форме диска или сектора диска, нижний омический контакт нанесен на подложку, а верхний нанесен на фронтальную поверхность резонатора и состоит из двух электрически изолированных друг от друга частей, причем источники напряжения выполнены с возможностью независимого приложения к двум частям упомянутого верхнего омического контакта постоянного, либо синхронизированного по фазе импульсного напряжения, противоположной полярности относительно нижнего контакта.

Изобретение представляет собой полупроводниковый частотно-перестраиваемый источник ИК излучения, содержащий полупроводниковый частотно-перестраиваемый дисковый лазер с резонатором в форме диска или сектора диска и источники напряжения, причем контакт на фронтальной поверхности резонатора состоит из двух электрически изолированных друг от друга частей, к которым независимо может быть приложено постоянное либо синхронизированное импульсное напряжение противоположной полярности относительно нижнего контакта. Такой лазер, как выявили авторы, можно рассматривать как два, один из которых работает как излучатель, а второй как поглотитель данного излучения и переизлучатель, что позволяет существенно увеличить диапазон перестройки излучения по сравнению с прототипом.

5. Лазеры на основе гетероструктур с квантовой ямой

В лазерах на основе гетероструктур с квантовой ямой (ямами) GaInAsSb в активной области длина волны доминирующей моды излучения определяется составом материала GaInAsSb и шириной квантовой ямы (ям), а именно, толщиной слоя (слоев) GaInAsSb. Известно [Д.А. Фирсов, L.Shterengas, G.Kipshidze, В.Л.Зерова, Т.Hosoda, П.Тхумронгсилапа, Л.Е.Воробьев, G.Belenky. ФТП 44, 53 (2010); Т.Hosoda, G.Belenky, L.Shterengas, G.Kipshidze, and M.V.Kisin. Appl.Phys.Lett. 92, 091106 (2008)], что если в активной области лазерной гетероструктуры имеются квантовые ямы Ga_1-XIn_XAs_YSb_1-Y, то изменение состава данного твердого раствора в диапазоне Х=0.15-0.85, Y=0.11-0.76 (где Y=0.9X) приводит к изменению его ширины запрещенной зоны от 0.69 эВ до 0.27 эВ и, соответственно, дает возможность создать лазер с длиной волны излучения в диапазоне от 1.8 до 4.5 мкм. Известно из различных источников [например, Л.В.Данилов, Г.Г.Зегря. Физика и техника полупроводников. 42, 573 (2008); А.В.Лютецкий, Н.А.Пихтин, С.О.Слипченко, З.Н.Соколова, Н.В.Фетисова, А.Ю.Лешко, В.В.Шамахов, А.Ю.Андреев, Е.Г.Голикова, Ю.А.Рябоштан, И.С.Тарасов. ФТП 37, 1394 (2003); Википедия: лазерный диод ru.wikipedia.org; Нанофизика: Лазеры на квантовых ямах и точках, www.nanometer.ru], что длина волны излучения лазера определяется также шириной квантовой ямы. При изменении ширины квантовой ямы GaInAsSb меняется число уровней квантования за счет изменения величины энергетического зазора между ними, что влияет на длину волны излучения лазера. Изменение состава материала квантовой ямы GaInAsSb является технологически сложным процессом, т.к. приводит к необходимости изменения состава ограничительных, волноводных и разделительного слоев гетероструктуры для сохранения ее изопериодичности к подложке GaSb. При этом ширина квантовой ямы, а именно толщина слоя твердого раствора GaInAsSb, определяется только временем эпитаксиального роста данного слоя, которое легко регулируется в процессе создания гетероструктуры.

В прототипе созданная гетероструктура содержала две квантовые ямы, для которых были выбраны состав твердого раствора Ga_0.65In_0.35As_0.11Sb_0.89 и ширина ямы 10 нм. Данный выбор обеспечивал доминирующую моду излучения лазера л=2.35 мкм. В предлагаемом авторами дисковом лазере активная область гетероструктуры содержит две квантовые ямы, для которых в качестве материала авторы выбрали твердые растворы составов Ga_0.65In_0.35As_0.11Sb_0.89, Ga_0.25In_0.75As_0.67Sb_0.33 и изменяли ширину квантовой ямы для каждого из них в диапазоне от 2 нм до 30 нм.

Выбор ширины квантовых ям в данном диапазоне обусловлен следующими ограничениями. Известно [А.В.Лютецкий, Н.А.Пихтин, С.О.Слипченко, З.Н.Соколова, Н.В.Фетисова, А.Ю.Лешко, В.В.Шамахов, А.Ю.Андреев, Е.Г.Голикова, Ю.А.Рябоштан, И.С.Тарасов. ФТП 37, 1394 (2003)], что для увеличения длины волны излучения в гетероструктуре следует использовать квантовые ямы наибольшей возможной ширины. Однако ширина ямы не должна быть больше критической, при которой начинают развиваться дислокации несоответствия на гетерогранице и падает интенсивность излучения. В вышеуказанной публикации показано, что критическая ширина квантовой ямы d_c может быть рассчитана по формуле:

где: а_с - постоянная решетки материала квантовой ямы, а_b - постоянная решетки широкозонного ограничительного слоя, при этом а_с-а_b - рассогласование постоянных решетки контактирующих материалов. По оценкам авторов с помощью данной формулы для гетероструктуры с ограничительными слоями GaAlAsSb ширина квантовой ямы GaInAsSb в активной области не должна превышать 30 нм. С другой стороны, квантовая яма шириной менее чем 2 нм не сможет обеспечить пороговые условия генерации лазера, так как с помощью настолько узкой ямы невозможно достичь пороговой плотности носителей для генерации.

Использование авторами для квантовой ямы материала Ga_0.65In_0.35As_0.11Sb_0.89 позволило получить длину волны доминирующей моды лазера л=1.8 мкм при ширине ямы 2 нм. Изменение ширины квантовой ямы от 2 нм до 30 нм привело к изменению длины волны излучения лазера от л=1.8 мкм до л=2.4 мкм. Использование другого твердого раствора Ga_0.25In_0.75As_0.67Sb_0.33 в качестве материала квантовой ямы дало возможность получить длину волны доминирующей моды лазера л=2.4 мкм при ширине ямы 2 нм. Изменение ширины квантовой ямы от 2 нм до 30 нм привело к изменению длины волны от л=2.4 мкм до л=4.5 мкм. Таким образом, путем выбора авторами (в соответствии в известными вышеупомянутыми публикациями) состава материала квантовых ям и их ширины, была обеспечена генерация полупроводникового частотно-перестраиваемого дискового лазера в диапазоне длин волн 1.8ч4.5 мкм.

Авторы впервые обнаружили, что если верхний омический контакт к фронтальной поверхности резонатора состоит из двух частей, и напряжение к каждой из частей контакта прикладывается противоположной полярности относительно контакта к подложке, то наблюдается перестройка доминирующей моды излучения дискового лазера на величину, близкую к полуширине на полувысоте спектра спонтанного излучения лазера. При приложении к одной из частей верхнего контакта напряжения, соответствующего току, равному либо выше порогового, через контакт протекает ток, равный либо выше тока, соответствующего порогу генерации лазера. В активном слое гетероструктуры генерируется когерентное излучение, имеющее многомодовую периодическую структуру. Расстояние между модами шепчущей галереи составляет ДлWGM=л2/2рRn, где л - длина волны доминирующей моды, R - радиус резонатора, n=3.5 - коэффициент преломления излучения в активной области гетероструктуры. Чтобы произошла перестройка длины волны, на другую часть верхнего контакта подается напряжение противоположной полярности относительно контакта к подложке и меньшее, чем напряжение пробоя для данного лазера, при этом изменяется коэффициент поглощения излучения в подконтактной области. Часть лазера начинает поглощать излучение и переизлучать его на другой длине волны. В результате данный лазер можно рассматривать как два, один из которых работает как излучатель, а второй как поглотитель данного излучения и переизлучатель. По мере увеличения напряжения коэффициент поглощения в подконтактной области продолжает меняться, и длина волны доминирующей моды смещается в длинноволновую область до величины, равной полуширине на полувысоте спектра спонтанного излучения лазера, что для данных дисковых лазеров составляет 120 нм. В отличие от прототипа, где с ростом напряжения и тока конкуренция двух процессов - с одной стороны, увеличения длины волны доминирующей моды за счет плавного увеличения коэффициента преломления в волноводе и уменьшения ширины запрещенной зоны материала квантовой ямы, а с другой стороны, уменьшение длины волны доминирующей моды за счет инжекции носителей заряда - приводит в ограничению диапазона перестройки, в данном лазере появляется новый процесс переизлучения, позволяющий существенно увеличить диапазон перестройки.

Таким образом, независимая подача к двум частям верхнего омического контакта постоянного, либо синхронизированного импульсного напряжения противоположной полярности относительно нижнего контакта приводит к частотной перестройке лазера, а именно к смещению доминирующей моды излучения в длинноволновую область. Изменением напряжения на одной из частей верхнего контакта к фронтальной поверхности резонатора создается возможность управления длиной волны доминирующей моды излучения. Увеличение ширины диапазона перестройки по сравнению с прототипом обусловлено тем, что максимальная величина перестройки доминирующей моды для прототипа 3 нм ограничена процессом инжекции носителей заряда, а для предлагаемого излучателя только полушириной на полувысоте спектра спонтанного излучения лазера, что для таких дисковых лазеров составляет 120 нм.

6. Примеры модификаций частотно-перестраиваемого полупроводникового дискового лазера

Напряжение на контакты может подаваться как от источников питания постоянного тока, так и от импульсных источников. В случае использования источников питания постоянного тока к одной из частей верхнего омического контакта прикладывается напряжение U₁ величины достаточной, чтобы через контакт протекал ток, равный либо выше порогового, т.е. соответствующего порогу генерации лазера. На другую часть верхнего омического контакта напряжение не подается. Фиксируется спектр излучения лазера и доминирующая мода излучения. Затем прикладывается напряжение U₂ на другую часть контакта с полярностью, обратной U₁, а именно противоположной полярности относительно нижнего сплошного контакта к подложке. Фиксируется сдвиг доминирующей моды излучения. При увеличении напряжения U₂ доминирующая мода лазера продолжает смещаться, а именно наблюдается частотная перестройка лазера на доминирующей моде.

Пример 1.

Созданный полупроводниковый частотно-перестраиваемый источник ИК излучения состоял из полупроводникового дискового лазера и источников питания (постоянного напряжения).

Полупроводниковый дисковый лазер включал подложку 1 из n-GaSb, квантово-размерную гетероструктуру на основе полупроводниковых соединений GaInAsSb и AlGaAsSb, лазерный резонатор в форме сектора диска с углом раствора в=350 град., нижний омический контакт 3 к подложке, верхний омический контакт из двух частей. Квантово-размерная гетероструктура на подложке GaSb содержала (как и в прототипе) последовательно выращенные ограничительный слой n-Al_0.90Ga_0.10As_0.08Sb_0.92, волноводный слой Al_0.25Ga_0.75As_0.02Sb_0.98, квантовую яму Ga_0,65In_0,35As_0.11Sb_0,89 шириной 10 нм, разделительный слой Al_0.25Ga_0.75As_0.02Sb_0.98, дополнительную квантовую яму Ga_0.65In_0.35As_0.11Sb_0.89 шириной 10 нм, волноводный слой Al_0.25Ga_0.75As_0.02Sb_0.98, ограничительный слой p-Al_0.9Ga_0.1As_0.08Sb_0.92 и контактный слой p-GaSb. Толщина активной области, представляющей собой совокупность всех слоев гетероструктуры между ограничительными слоями, составляла 750ч850 нм. На основе квантово-размерной гетероструктуры изготавливались лазерные чипы с дисковым резонатором в форме сектора диска с углом раствора в=350 град., диаметром 200 мкм и высотой 15 мкм методом фотолитографии и химического травления. Омические контакты лазера создавались методом термического вакуумного напыления с взрывной фотолитографией. Нижний омический контакт был нанесен на подложку GaSb и выполнен сплошным. Верхний омический контакт был нанесен на фронтальную поверхность лазерного резонатора и состоял из двух электрически изолированных друг от друга частей в форме дуг внешним диаметром 190 мкм, шириной 30 мкм, отстоящих от краев резонатора на 10 мкм. В состав частотно-перестраиваемого источника ИК излучения входили два источника напряжения - источники питания постоянного тока ТЕС-88, позволяющие плавно изменять прикладываемое напряжение от 0 до 20 В. К одной из частей - верхнего омического контакта прикладывалось напряжение положительной полярности относительно сплошного контакта к подложке величиной U₁?0.6 В, соответствующей пороговому току лазера. При этом через контакт протекал ток равный, либо выше значения I_th=240 мА, соответствующего порогу генерации лазера. На другую часть верхнего омического контакта напряжение не подавалось (U₂=0 В). Фиксировался спектр излучения лазера, доминирующая мода которого л=2.35 мкм. Затем прикладывалось напряжение U₂=0.01 В с полярностью, обратной U₁, а именно отрицательной полярности относительно сплошного контакта к подложке. Фиксировался сдвиг доминирующей моды излучения л=2.35 мкм в длинноволновую сторону на 2.5 нм. Далее напряжение U₂ постепенно увеличивалось с шагом 0.01 В до значений, меньших напряжения пробоя. При этом доминирующая мода лазера л=2.35 мкм смещалась в длинноволновую сторону с шагом 2.5 нм, а именно наблюдалась частотная перестройка лазера на доминирующей моде. В результате, с ростом напряжения U₂ от 0.0 В до 0.4 В и, соответственно, с ростом тока, доминирующая мода дискового лазера л=2.35 мкм сместилась в длинноволновую область на 100 нм. Таким образом, показано, что по сравнению с прототипом существенно увеличен диапазон частотной перестройки доминирующей моды лазера с 3 нм до 100 нм.

Пример 2.

То же, что в Примере 1, но ширина двух напряженных квантовых ям Ga_0.65In_0.35As_0.11Sb_0.89 составляла 2 нм каждая. В результате при подаче напряжения U₁ на одну из частей верхнего омического контакта и при отсутствии напряжения на другой его части, зафиксирована доминирующая мода лазера л=1.8 мкм. Уменьшение длины волны доминирующей моды излучения по сравнению с Примером 1 можно объяснить тем, что в квантовых ямах шириной 2 нм по сравнению с квантовыми ямами шириной 10 нм уменьшилось число уровней квантования за счет увеличения энергетического зазора между уровнями. При приложении напряжения U₂ с полярностью, обратной U₁, и постепенном его увеличении с шагом 0.01 В, доминирующая мода лазера л=1.8 мкм смещалась в длинноволновую сторону с шагом 2 нм, а именно наблюдалась частотная перестройка лазера на доминирующей моде. В результате, с ростом напряжения U₂ до 0.55 В и, соответственно, с ростом тока, доминирующая мода дискового лазера л=1.8 мкм сместилась в длинноволновую сторону на 80 нм. Показано, что по сравнению с прототипом существенно увеличен диапазон частотной перестройки доминирующей моды лазера с 3 нм до 80 нм.

Пример 3.

То же, что в Примере 1, но ширина каждой напряженной квантовой ямы Ga_0.65In_0.35As_0.11Sb_0.89 составляла 30 нм. В результате при подаче напряжения U₁ на одну из частей верхнего омического контакта и при отсутствии напряжения на другой его части, зафиксирована доминирующая мода лазера л=2.4 мкм. Увеличение длины волны доминирующей моды излучения по сравнению с примером 1 можно объяснить тем, что в квантовых ямах шириной 30 нм по сравнению с квантовыми ямами шириной 10 нм увеличилось число уровней квантования за счет уменьшения энергетического зазора между уровнями. При приложении напряжения 2 с полярностью, обратной U₁, и постепенном его увеличении с шагом 0.01 В, доминирующая мода лазера л=2.4 мкм смещалась в длинноволновую сторону с шагом 3 нм, а именно наблюдалась частотная перестройка лазера на доминирующей моде. В результате, с ростом напряжения U₂ до 0.35 В и, соответственно, с ростом тока, доминирующая мода дискового лазера л=2.4 мкм сместилась в длинноволновую сторону на 120 нм. Показано, что по сравнению с прототипом существенно увеличен диапазон частотной перестройки доминирующей моды лазера с 3 нм до 120 нм.

Пример 4.

То же, что в Примере 3, но состав твердого раствора, являющегося материалом каждой из квантовых ям шириной 30 мкм, был выбран Ga_0.25In_0.75Аs_.67Sb_0.33. В результате при подаче напряжения U₁ на одну из частей верхнего омического контакта и при отсутствии напряжения на другой его части, зафиксирована доминирующая мода лазера л=4.5 мкм. Увеличение длины волны доминирующей моды излучения по сравнению с Примером 3 можно объяснить тем, что ширина запрещенной зоны твердого раствора Ga_0.25In_0.75Аs_.67Sb_0.33 меньше, чем твердого раствора Ga_0.65In_0.35As_0.11Sb_0.89, используемого в Примере 3. При приложении напряжения U₂ с полярностью, обратной U₁, и постепенном его увеличении с шагом 0.01 В, доминирующая мода лазера л=4.5 мкм смещалась в длинноволновую сторону с шагом 3 нм, а именно наблюдалась частотная перестройка лазера на доминирующей моде. В результате, с ростом напряжения U₂ до 0.35 В и, соответственно, с ростом тока, доминирующая мода дискового лазера л=4.5 мкм сместилась в длинноволновую сторону на 120 нм. Показано, что по сравнению с прототипом существенно увеличен диапазон частотной перестройки доминирующей моды лазера с 3 нм до 120 нм.

Приведенные примеры модификаций частотно-перестраиваемого полупроводникового дискового лазера не являются единственными и предполагают наличие других реализаций, особенности которых отражены в совокупности признаков формулы изобретения.

Полупроводниковый частотно-перестраиваемый источник инфракрасного излучения, содержащий полупроводниковый частотно-перестраиваемый дисковый лазер для диапазона длин волн 1,8ч4,5 мкм и два источника напряжения, упомянутый лазер включает подложку GaSb, квантово-размерную гетероструктуру, выращенную на подложке, резонатор и верхний и нижний омические контакты, упомянутая гетероструктура состоит из активной области, ограничительных слоев GaAlSbAs и контактного слоя GaSb, активная область содержит волноводные слои GaAlAsSb, по меньшей мере, одну квантовую яму Ga_1-XIn_XAs_YSb_1-Y с составом и шириной из диапазона от 2 до 30 нм, выбранными в соответствии с требуемой длиной волны доминирующей моды излучения из диапазона 1,8ч4,5 мкм, резонатор выполнен в форме диска или сектора диска, нижний омический контакт нанесен на подложку, а верхний нанесен на фронтальную поверхность резонатора и состоит из двух электрически изолированных друг от друга частей, причем источники напряжения выполнены с возможностью независимого приложения к двум частям упомянутого верхнего омического контакта постоянного либо синхронизированного по фазе импульсного напряжения, противоположной полярности относительно нижнего контакта.

7. Вывод

В настоящее время возникла острая потребность в частотно-перестраиваемых источниках излучения с большим диапазоном перестройки в спектральном диапазоне 1.8ч4.5 мкм для лазерных спектрометров высокого разрешения. В данном спектральном диапазоне лежат полосы поглощения воды, многих промышленных и токсичных газов (Н₂О, NН₃, СН₄, NO₂, C₂H₄, CO₂ и т.д.).

В современных источниках ИК излучения используются полупроводниковые лазеры, которые имеют два основных компонента: активную среду, где за счет внешнего источника энергии (например, электрического тока) создается инверсная заселенность и генерируется свет, и лазерный резонатор, обеспечивающий обратную связь для вынужденного излучения света. Резонатор во многом определяет не только размер и форму лазера, но и параметры излучения: мощность, направленность и спектральные характеристики лазера. Добротность характеризует потери световой энергии в резонаторе: , где Q - добротность резонатора, L - длина резонатора, б - коэффициент суммарных потерь за один проход резонатора, л - длина волны.

Для полупроводниковых лазеров широко применяются резонаторы Фабри-Перо, в которых две сколотые плоскости полупроводникового кристалла действуют как параллельные зеркала.

Недостатки лазеров с резонатором Фабри-Перо (полосковых лазеров) - сложность технологии изготовления, существенные оптические потери в узкозонном материале активной области и, как следствие, низкая добротность.

Дисковые резонаторы используют эффект полного внутреннего отражения. Они могут иметь форму диска или его части (сектора). Лазер с дисковым резонатором работает на WGM модах (модах шепчущей галереи). В лазере с таким резонатором свет циркулирует по кругу внутренней границы резонатора, многократно отражаясь от стенок под углом наклона большим, чем критический угол для полного внутреннего отражения, оказываясь, таким образом, внутри кристалла как в ловушке. Потери света минимальны благодаря малому поглощению и рассеянию на шероховатостях поверхности. Основным механизмом оптических потерь, обусловливающих пороговый ток, является рассеяние света на неоднородностях краев резонатора. В ИК диапазоне из-за относительно большой длины волны качество границы «полупроводник-воздух» не так существенно, как для видимого диапазона.

Преимущества лазеров с дисковым резонатором - технологичность, низкие значения порогового тока, высокая добротность, позволяющая использовать материалы с низким оптическим усилением.

Однако диапазон перестройки используемых в настоящее время перестраиваемых по частоте как полосковых, так и дисковых лазеров мал.

8. Список литературы

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/Перестраиваемый_лазер.

2. http://www.findpatent.ru/patent/243/2431225.html.

3. Астахова А.П., Баранов А.Н., Висе А., Именков А.Н., Колчанова Н.М., Стоянов Н.Д., Черняев А.А., Яреха Д.А., Яковлев Ю.П. ФТП 37 (4), 502 (2003).

4. Т.Hosoda, G.Belenky, L.Shterengas, G.Kipshidze, and M.V.Kisin. Appl.Phys.Lett. 92, 091106 (2008).

5. А.В.Лютецкий, Н.А.Пихтин, С.О.Слипченко, З.Н.Соколова, Н.В.Фетисова, А.Ю.Лешко, В.В.Шамахов, А.Ю.Андреев, Е.Г.Голикова, Ю.А.Рябоштан, И.С.Тарасов. ФТП 37, 1394 (2003); Википедия: лазерный диод ru.wikipedia.org; Нанофизика.

6. Д.А. Фирсов, L.Shterengas, G.Kipshidze, В.Л.Зерова, Т.Hosoda, П.Тхумронгсилапа, Л.Е.Воробьев, G.Belenky. ФТП 44, 53 (2010); Т.Hosoda, G.Belenky, L.Shterengas, G.Kipshidze, and M.V.Kisin. Appl.Phys.Lett. 92, 091106 (2008).

Размещено на Allbest.ru