автореферат диссертации по электронике, 05.27.03, диссертация на тему:Спектральные и динамические характеристики излучения инжекционных лазеров и суперлюминесцентных диодов на основе квантоворазмерных гетероструктур

МОСКОВСКИМ ГОСУДАРСТВЕННЫМ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ. ЭЛЕКТРОНИКИ II АВТОМАТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИМ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

ШРАМЕНКО Михаил Васильевич

СПЕКТРАЛЬНЫЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ ИНФЕКЦИОННЫХ ЛАЗЕРОВ И СУПЕРЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ДИОДОВ НА ОСНОВЕ КВАНТОВОРАЗМЕРНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР

05.27.03 - Квантовая электроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА - 1997

Работа выполнена в Московском Государственном институте радиотехник! электроники и автоматики (Техническом университете).

Научные руководители:

доктор физ.-мат. наук, профессор РИВЛИН Л.А.

доктор физ.-мат. наук ЯКУБОВИЧ С.Д. Официальные оппоненты:

доктор техн. наук ВАСИЛЬЕВ М.Г.

доктор физ.-мат. наук ДЕДУШЕНКО К.Б.

Ведущая организация - НИИ «Полюс».

Защита состоится «» ^ё^й'ЬрУ 199 ^ г. в 10 час. 00 мин. ш заседании специализированного Совета № Д063.54.03 в Московско,\ Государственном институте радиотехники, электроники и автоматик! (Техническом университете) по адресу: 117454 Москва, проспект Вернадского д. 78.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИРЭА.

Автореферат разослан «о^/ » 199 V г.

Ученый секретарь специализированного Совета к.х.н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

В диссертацию включены результаты исследований, выполненных в 19931996 гг. и посвященных изучению спектральных и динамических характеристик излучения полупроводниковых инжекционных лазеров и суперлюминесцентных диодов на основе квантоворазмерных гетероструктур.

Актуальность темы. Полупроводниковые инжекционные лазеры (ПЛ) привлекают к себе пристальное внимание ученых, исследователей и разработчиков оптоэлектронной аппаратуры благодаря очевидным преимуществам по сравнению с лазерами других типов. Это. прежде всего. высокая эффективность преобразования энергии электрического тока в когерентный свет, большой коэффициент усиления, малая инерционность, возможность стыковки с волоконными световодами. миниатюрность конструкции. В настоящее время ПЛ нашли самое широкое применение в различных областях науки и техники, да и быт человека сегодня трудно представить без применения этих источников света (достаточно упомянуть CD-ROM. оптические сканеры, проигрыватели компакт-дисков, системы передачи и обработки информации). Наибольший практический интерес представляют ПЛ с квантоворазмерными активными слоями. По сравнению с традиционными гетеролазерами с «объемными активным слоем инжекционные лазеры на основе однослойных и многослойных квантоворазмерных структур (КРС) обладают рекордно низкими пороговыми токами, относительно слабо зависящими от температуры, более высокой внешней эффективностью, простотой получения одночастотного режима генерирования, большим быстродействием в условиях прямой токовой модуляции и большим диапазоном перестройки длины волны излучения. Данные преимущества ставят актуальной задачу проведения экспериментальных исследований спектральных и динамических характеристик излучения полупроводниковых источников света на основе квантоворазмерных гетероструктур, что исключительно важно для решения широкого круга практических задач.

Одночастотные ПЛ широко используются в спектроскопии, когерентной оптической связи, интерферометрии, голографии. Для обеспечения одночастотного режима генерирования часто используются внешние и интегрально-оптические спектрально-селективные элементы. В последние годы благодаря использованию гетероструктур с квантоворазмерными слоями получено высокоэффективное генерирование инжекционных лазеров с

традиционным плоским резонатором Фабри-Перо [1], часто сопровождающееся режимом автостабилнзации доминирующей продольной моды. Основным физическим механизмом, ответственным за подобное поведение ПЛ, является взаимодействие продольных мод в лазере, приводящее к оптическим нелинейностям коэффициента усиления [2,3]. Проведение экспериментальных исследований в данном направлении является весьма актуальным для более полного понимания физики инжекционных лазеров и создания гетероструктур, обладающих лучшими эксплуатационными характеристиками.

Суперлюминесцентные диоды (СЛД), совмещающие в себе ряд достоинств ПЛ и светодиодов, являются оптимальными источниками излучения для ряда практических применений. Это. в первую очередь, волоконно-оптические датчики различных типов, включая гироскопы, а также специализированные оптические линии связи с повышенными требованиями к амплитудным шумам передатчиков. В таких устройствах как интерферометры «белого света», оптические рефлектометры и томографы сверхвысокого разрешения основным требованием к источнику излучения является совмещение высокой яркости и широкого оптического спектра (низкой когерентности). Использование в качестве подобных источников света СЛД на основе КРС обещает значительные преимущества по сравнению с СЛД на основе традиционных «объемных» гетероструктур, что связано с более широким спектром рекомбинационного спонтанного излучения и оольшеи полосой оптического усиления в результате расщепления энергетического спектра электронов и дырок в КРС на подзоны [4]. Анализ специальной литературы [5,6,7] подтверждает важность и практическую значимость задач, связанных с созданием и исследованием СЛД, обладающих высокой выходной оптической мощностью и низкой длиной когерентности.

Полупроводниковые лазерные диоды (ЛД) с изолированными участками инжекции в общем резонаторе, впервые предложенные 30 лет назад, по сей день привлекают внимание исследователей и разработчиков оптоэлектронной аппаратуры. Как известно, многосекционные ЛД значительно превосходят традиционные ЛД с однородной инжекцией по функциональным возможностям. В зависимости от способа включения, токов накачки, вида и способа подачи управляющих сигналов могут качественно изменяться спектральные, мошностные и динамические характеристики выходного оптического сигнала многосекционного ЛД.

В традиционной электронике используется множество

многофункциональных элементов и схем. В оптоэлектронике такой подход к элементной базе пока не получил должного распространения, несмотря на то. что множество практических применений выдвигает широкий набор требований к параметрам излучения, которые часто не могут быть реализованы при использовании ПЛ с однородной инжекцией. Очевидно, что многосекшюнные ПЛ могут стать основой многофункциональных полупроводниковых источников света для новых поколений оптоэлектронных систем. В качестве примера можно привести интенсивно разрабатываемые системы оптической памяти на лазерных компакт-дисках, допускающие многократную перезапись информации, сети волоконно-оптических датчиков различных типов, нуждающиеся в полупроводниковых излучателях с качественно различными характеристиками. Аналогичные примеры можно привести также из области оптической метрологии, интерферометрии, лазерной медицины и т.д. Существование определенного дефицита публикаций на тему использования многосекционных ЛД как многофункциональных источников излучения [8], при наличии такой широкой сферы практических применений, делает актуальным задачу проведения исследований в этом направлении.

Цель работы заключается в исследовании спектральных и динамических характеристик излучения ЛЛ и СЛД на основе квантоворазмерных гетероструктур.

Задачи работы.

1. Экспериментальное изучение спектральных характеристик излучения одночастотньк полупроводниковых инжекционных лазеров на основе КРС при стационарной инжекции.

2. Экспериментальное изучение мощностных, спектральных и поляризационных характеристик излучения СЛД на основе КРС, сравнение результатов экспериментальных исследований с теоретическими расчетами спектров спонтанного испускания, оптического усиления и суперлюминесценции.

3. Исследование мошностных, спектральных и динамических характеристик излучения многофункционального излучателя на основе трехсекционного гетеролазера.

Научная новизна.

1. Проведены экспериментальные исследования спектральных характеристик излучения инжекционных лазеров на основе ОаАБ/АЮаАБ- и 1гЮаАз ОаАэ-гетероструктур с квантоворазмерными активными слоями и монолитным

плоским резонатором в условиях стационарной ннжекции.

2. Экспериментально показана сильная корреляция а-фактора спектрального уширения линии излучения с параметрами одночастотного режима генерирования.

3. Проведено теоретическое и экспериментальное исследование мощностных, спектральных и поляризационных характеристик СЛД на основе (ОаА1)Аз-гетероструктур с раздельным ограничением и квантоворазмерным активным слоем.

4. Оптимизация режима возбуждения СЛД в условиях комбинированной накачки (суперпозиции постоянного и импульсного токов инжекции) позволила экспериментально получить излучение с экстремально широким усредненным оптическим спектром - ДА.=98 нм. что соответствует длине когерентности менее 7 мкм.

5. Проведено экспериментальное исследование мощностных. спектральных и динамических характеристик излучения многофункциональных трехсекционных ЛД на основе (ОаА1)А5-гетероструктур с раздельным ограничением при различных схемах включения и различных управляющих сигналах.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Экспериментально обнаружена сильная корреляция степени автостабилизации одночастотного режима генерирования с величиной а-фактора спектрального уширения. В ЛД традиционной конфигурации без дополнительных мер спектральной селекции на основе напряженной квантоворазмерной гетероструктуры в системе (1пОа)А5 с величиной а<2 получено непрерывное одночастотное генерирование с выходной мощностью более 100 мВт и степенью подавления боковых продольных мод более 30 дБ.

2. СЛД на основе однослойных квантоворазмерных структур не уступают традиционным СЛД на основе «объемных» гетероструктур по основным выходным параметрам и при этом существенно превосходят их по ширине спектральной линии. Однако форма спектра и степень поляризации их излучения сильно зависят от конфигурации диода и уровня накачки, что требует специальной оптимизации.

3. Формой усредненного спектра излучения КРС СЛД можно управлять в широких пределах путем использования комбинированной (суперпозиции импульсной и непрерывной) токовой накачки или ннжекции спектрально-согласованного оптического сигнала в активный световод СЛД. В спектральном

диапазоне 820 нм возможно получение выходного излучения с полушириной спектра до 100 нм, что соответствует длине когерентности менее 7 мкм. Такие излучатели, совмещающие в себе яркость инлсекционного лазера и низкую когерентность светодиода являются оптимальными для многих практических применений.

4. Многофункциональный излучатель на основе тре.хсекционного гетеролазера в зависимости от схемы включения и режима накачки позволяет реализовать практически все известные для ЛД режимы генерирования, а именно: усиленное спонтанное испускание (суперлюминесценцию), стационарное генерирование, включая одночастотное, автомодуляцию (регулярную и хаотическую), генерирование пикосекундных импульсов за счет модуляции добротности, оистабильность (стационарную и автомодуляционную), а также непрерывную перестройку частоты и синхронизацию мод (при нанесении просветляющего покрытия и помещении во внешний резонатор).

Личное участие автора выразилось в создании автоматизированной установки для измерения а-фактора спектрального уширения линии генерации и написании управляющей программы, в проведении исследований спектральных и динамических характеристик излучения ПЛ и СЛД на основе квантоворазмерных гетероструктур.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на 5 Международных научных конференциях. На основе результатов исследований СЛД и многофункциональных трехсекционных гетеролазеров изготовлены образцы светоизлучающих модулей, что отражено в соответствующем акте практического использования результатов диссертации.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 12 печатных работах, список которых приводится в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, приложения, заключения и списка использованной литературы. Работа содержит 143 стр. машинописного текста, в том числе 47 рисунков, 132 библиографические ссылки. В конце диссертационной работы приведены акт практического использования результатов диссертации и рекламный проспект светоизлучающих модулей, разработанных на основе проведенных исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении кратко рассматриваются основные исторические этапы

развития ПЛ, их основные преимущества по сравнению с лазерами других типов. Обсуждается современное состояние вопроса развития инжекционных лазеров и СЛД на основе КРС, приводятся их достоинства в сравнении с традиционными «объемными» гетероструктурами. Рассматривается актуальность и перспективность развития многосекционных ЛД как многофункциональных источников излучения, их место в семействе современных полупроводниковых приборов оптоэлектроники. Формулируются новые направления исследований в области квантоворазмерных ПЛ - от квантоворазмерных инжекционных лазеров видимого диапазона до ПЛ с квантовыми нитями и точками, анализируются их основные достоинства и актуальность развития с точки зрения перспективности практического применения. Рассматриваются также актуальность темы диссертации, цель и структура ее построения, формулируются основные положения, выносимые на защиту.

„ _ Первая глава диссертации посвящена экспериментальным исследованиям спектров излучения одночастотных ПЛ на основе КРС. Дается понятие а-фактора спектрального уширения линии генерации, обсуждаются различные экспериментальные методики измерения параметра а. Приводятся поперечные сечения структур исследуемых экспериментальных образцов ЛД, состав и толщины слоев. Рассматривается блок-схема экспериментальной автоматизированной установки для измерения а-фактора. Подробно описаны ее оптическая и электрическая схемы и взаимодействие составных частей и элементов. Рассматривается конструкция используемой лазерной головки, разработанной с учетом обеспечения согласования кристалла исследуемого ЛД с трактом подвода модулирующего сигнала. Анализируются результаты экспериментальных исследований.

Исследуемые ПЛ представляли собой мезаполосковые гетероструктуры с раздельным ограничением носителей заряда и фотонного поля, выращенные методом газотранспортной эпитаксии из металло-органических соединений, с квантоворазмерными активными слоями и монолитным плоским резонатором двух типов: 1) лазеры с одиночной квантовой ямой на основе СаАз/АГСаАБ-гетероструктуры - длина волны излучения 780 и 852 нм, 2) лазеры с двумя квантовыми ямами на основе ЬЮаАБ'ОаАз-гетсроструктуры - длина волны излучения 975 нм. Часть образцов имела многослойные диэлектрические просветляюшие и высокоотражающие покрытия на передней и задней гранях

резонатора соответственно. Величина порогового тока у различных образцов ЛД в зависимости от длины резонатора и коэффициентов отражения торцевых граней составляла при комнатной температуре от 15 до 40 мА. Ватт-амперные характеристики в непрерывном режиме инжекции были практически линейны вплоть до выходной мощности 20 мВт у лазеров первого типа и до ] 00 мВт у лазеров второго типа. В указанном диапазоне выходных мощностей практически все исследованные образцы генерировали низшую пространственную моду.

Для определения а-фактора спектрального уширения было использовано следующее соотношение:

2х_ dl^ &XL dGm'

где ДА-межмодовый интервал; dX„, и dGm-спектральный сдвиг продольной моды и приращение модового усиления, соответствующие приращению тока инжекции dl в допороговом режиме; L-длина резонатора лазера.

Экспериментальная автоматизированная установка для измерения а-фактора спектрального уширения линии излучения была собрана на основе оптической схемы спектрометра ДФС-12 с установленным в плоскости выходной щели диафрагмированным кремниевым фотодиодом, расположенным на трансляторе с шаговым двигателем, управляемым от компьютера. В состав измерительной установки также входили: стабилизированный источник постоянного тока, блок стабилизации температуры теплопровода ЛД, генератор импульсов тока, селективный вольтметр, АЦП, персональная ЭВМ с HPIB-интерфейсом. Данная система регистрации позволила обеспечить спектральное разрешение лучше 0,01 нм и динамический диапазон по интенсивности более 80 дБ. Для обеспечения функционирования этой установки была разработана управляющая программа на языке BASIC, выполненная по блочно-модульному принципу.

Спектральный сдвиг продольной моды d/.m, связанный с изменением концентрации носителей, находился двумя способами: 1) по «расщеплению» усредненного оптического спектра в режиме наложения на постоянный ток инжекции коротких токовых импульсов, следующих с высокой скважностью. 2) из сопоставления наклонов зависимости Я.т(1) ниже и выше порога лазерной генерации в режиме постоянной токовой инжекции. Модовое усиление Gm определялось из глубины модуляции в спектре суперлюминесценции.

Сравнительный анализ спектральных характеристик нескольких десятков

s

образцов лазеров первого типа позволил выявить следующие тенденции.

Лазеры с мальш а (а<2,5). Охночастотиое генерирование устанавливается на пороге. При дальнейшем возрастании тока инжекции отчетливо наблюдается автостабилизация доминирующей продольной моды. При выходной мощности 10 мВт степень подавления боковых мод достигает 30 дБ (рис.1). У лучших образцов в указанном интервале вообще не наблюдается переключения генерирования на другие моды. Если же оно происходит, то наблюдается перескок на 2-4 межмодовых интервала с ярко выраженным гистерезисом. Диапазон непрерывной перестройки частоты достигает 100 ГГц и более.

Лазеры со средним а (2,5<а<3,0). При небольших превышениях порога одночастотный режим неустойчив. С ростом тока он устанавливается, однако автостабилизация выражена слабо или отсутствует. При высоких уровнях выходной мощности Р>10 мВт степень подавления боковых мод не превышает 20 дБ. С изменением тока переключение происходит значительно чаще и. как правило, на соседние моды. Гистерезис выражен слабо.

Лазеры с большим а (а>3,0). Как правило, наблюдается только многомодовое генерирование.

Указанные тенденции в основном справедливы и для лазеров второго типа. Приведенные экспериментальные результаты хорошо согласуются с результатами теоретических исследований [3], посвященным анализу нелинейных оптических взаимодействий в ПЛ, и подтверждают теоретические выводы о том, что эффект автостабилизации генерируемой моды в одночастотных инжекционных лазерах проявляется более сильно при малых значениях а-фактора.

Во второй главе диссертации исследуются СЛД на основе однослойных квантоворазмерных гетероструктур. Рассматриваются результаты теоретических расчетов спектров спонтанного испускания, оптического усиления и суперлюминесценции в СЛД на основе КРС. Приводятся поперечное сечение структуры исследуемых образцов СЛД, состав и толщины слоев, а также конфигурации активных каналов СЛД. Обсуждаются результаты экспериментальных исследований мощностных, спектральных и поляризационных характеристик СЛД на основе КРС. Проводится сравнение экспериментальных спектров излучения СЛД с результатами теоретических расчетов. Рассматриваются автокорреляционные функции (АКФ) излучения СЛД. Приводится описание конструкции светоизлучаюшего модуля на основе

квантоворазмерного СЛД.

Исследуемые СЛД представляли собой мезаполосковые (ОаЛОАя-гетероструктуры с одинарным квантоворазмерным активным слоем и раздельным ограничением носителей заряда и фотонного поля, выращенные методом газотранспортной эпитаксии из металлоорганических соединений. Для надежного подавления положительной обратной связи по излучению были использованы две конструкции СЛД. Первая из них имела известную двухсекционную конфигурацию [9,10] с длинами секций 500 и 300 мкм и разделительным сопротивлением между ними более 2 кОм. На обе грани кристалла наносилось диэлектрическое просветляющее покрытие с коэффициентом отражения менее 1%. На один из контактов подавался ток инжекции, второй заземлялся. Во второй конструкции СЛД был изготовлен искривленный активный световод, ось которого составляла угол 7° с нормалью к торцевой грани кристалла. Оценка показала, что при этом остаточный коэффициент отражения излучения в канал усиления составляет около 1%.

Для экспериментального исследования мощностных, спектральных и поляризационных характеристик СЛД была использована измерительная установка включающая в себя: блок термостабилизации, стабилизированный источник постоянного тока,' генератор прямоугольных токовых импульсов с регулируемой амплитудой, длительностью и частотой следования, измеритель оптической мощности, оптический анализатор спектра. Измерения проводились при комнатной температуре в импульсном режиме инжекции, позволяющем исключить влияние тепловых процессов. Были зарегистрированы спектральные пики, соответствующие квантовым переходам из первой (А.1-820 нм) и второй (7.2~780 нм) подзон зоны проводимости. Положение и ширина спектральных пиков, а также изменение их соотношения с ростом уровня накачки хорошо согласуется с теоретическими результатами, полученными с использованием скоростных уравнений для спектральной плотности фотонов, распространяющихся в положительном и отрицательном направлениях вдоль оси волновода, которые в стационарном режиме записываются в следующем виде:

аУ 2

где Г-фактор оптического ограничения; ао-внутренние потери: С^-групповая

(а)

скорость света; РЦр -спектральная плотность скорости спонтанного испускания.

Использование комбинированной импульсно-непрерывной накачки позволило управлять в широких пределах формой спектра выходного излучения. В частности, было получено излучение с экстремально широким усредненным оптическим спектром - ДА.=98 нм, что соответствует длине когерентности менее 7 мкм (рис.2).

Для исследуемых образцов СЛД была измерена АКФ, характеризующая степень когерентности излучения СЛД. В работе приводятся панорамная АКФ. а также центральный пик АКФ для СЛД на основе КРС и СЛД на основе обычной «объемной» гетероструктуры. Сравнение центральных пиков АКФ для двух типов СЛД показало почти трехкратный выигрыш по полуширине пика для квантоворазмерного СЛД, что, по всей видимости, не является пределом.

Измерения степени поляризации выходного излучения продемонстрировали сильную зависимость этого параметра от структуры СЛД и режима возбуждения. Основная тенденция - увеличение степени поляризации с ростом уровня накачки. Использование комбинированной накачки позволяет в некоторых пределах управлять и этой величиной.

На основе исследованных образцов СЛД были изготовлены макеты светоизлучающих модулей с выводом излучения через одномодовый волоконный световод типа Р1ехсог 750 с выходной мощностью Р>200 мкВт при полуширине спектра &Х>90 нм или Р>2 мВт при ДХ>70 нм.

Третья глава диссертации посвяшена экспериментальным исследованиям динамики излучения многофункционального излучателя на основе трехсекционного гетеролазера. Приводятся описание структуры и основные характеристики излучения экспериментальных образцов ЛД. Рассматриваются результаты исследований модуляционных и автомодуляционных характеристик при различных схемах включения ЛД, генерации ультракоротких импульсов (УКИ) света в режимах модуляции добротности и синхронизации мод во внешнем резонаторе, а также перестройки длины волны излучения. Обсуждается перспективность создания на основе подобных лазеров многофункциональных светоизлучающих модулей.

Исследуемые образцы ПЛ представляли собой трехсекционные мезаполосковые ЛД на основе однослойной квантоворазмерной (ОаАПАБ-гетероструктуры с раздельным ограничением, с шириной активного канала 4-5

мкм и длиной резонатора, образованного сколами. 600 мкм. Изолированные контактные площадки имели протяженность 250, 50 и 250 мкм. разделительное сопротивление между ними составляло 2-3 кОм. Кроме квантоворазмерных ЛД были также исследованы лазеры на основе традиционной двусторонней (GaAl)As-reTepocTpyKTypbi с «объемным» активным слоем. Трехсекционные ЛД на основе этой структуры обладали теми же характерными режимами работы, что и образцы на основе КРС, за исключением более высоких рабочих токов и более сильной зависимости выходной оптической мощности от температуры. У части образцов на выходную грань было нанесено просветляющее диэлектрическое покрытие с остаточным коэффициентом отражения около 1%.

На рис.3 приводятся типичные зависимости средней выходной оптической мощности от постоянного тока инжекции при различных схемах включения ЛД. В случае замкнутых секций (схема I) на пороге генерации наблюдалось «жесткое» включение со скачком выходной мощности ДР=2-3 мВт и небольшой петлей гистерезиса шириной Д1<2 мА. что связано с наличием неинжектируемых разделительных канавок, выполняющих роль насыщающихся поглотителей. В случае, когда инжекция в среднюю секцию не производилась (схема II). ДР и Д1 возрастали до. приблизительно. 15 мВт и 15 мА соответственно. При инжекции в первую и вторую или во в+орую и третью секции (схема III) скачкообразного включения на пороге генерации не наблюдалось. В случае короткого замыкания средней секции (схема IV) порог генерации значительно возрастал, скачок мощности ДР уменьшался, а на ватт-амперной характеристике выше порога наблюдались характерные изломы (кинки).

Типичные длины волн излучения на пороге генерации были 860, 862. 866 и 865 нм для схем I, II, III и IV соответственно. В случае схем I, II и III при превышении порога генерации на несколько миллиампер ЛД, как правило, работал в стационарном одночастотном режиме со степенью подавления боковых продольных мод до 15 дБ. Для схемы IV наблюдалась только многомодовая генерация. В случае включения по схеме V имела место суперлюминесценция с полушириной спектральной линии около 25 нм и периодической модуляцией с глубиной 5-10 % модами Фабри-Перо (режим излучения СЛД).

Для исследуемых образцов ЛД (схемы включения I и V) были измерены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) в режиме прямой токовой аналоговой амплитудной модуляции (диапазон измерений 0-2 ГГц). При

включении по схеме I (лазерный режим) для тока накачки 75 мА. что соответствовало выходной мощности 10 мВт, АЧХ была практически постоянна во всем диапазоне. Уровень относительных шумов интенсивности (ОШИ) в этом режиме не превышал -140 дБ/Гц. При глубине модуляции до 50% на частоте 1 ГГц нелинейные искажения практически отсутствовали - относительная амплитуда второй гармоники (2 ГГц) не превышал -20 дБ. В режиме СЛД (схема V) ширина полосы модуляции увеличивается с ростом тока инжекции и при 1=150 мА, что соответствовало Р=3 мВт для непросветленных образцов или Р=10 мВт для образцов с антиоотражающем покрытием, достигала 250 МГц по уровню -3 дБ. Уровень ОШИ составлял около -137 дБ/Гц.

Для схемы II, используя известный метод модуляции добротности при импульсной накачке [И], был реализован режим генерации УКИ света. Импульсы тока с регулируемой амплитудой и длительностью около 1 не инжектировались в первую и третью секции, а к средней секции было приложено регулируемое напряжение. В пределах горизонтального участка вольт-амперной характеристики типичные значения пиковой мощности и длительности оптических УКИ составили 1 Вт и 30 пс соответственно. В области пробойного напряжения (V= -12В) при соответствующем увеличении амплитуды токовых импульсов пиковая мощность оптических УКИ возрастала, а их длительность сокращалась.

У исследованных образцов при включении по схеме II в условиях стационарной инжекции вблизи порога генерации наблюдалась ярко выраженная автомодуляционная бистабильность [12]. В диссертации приводятся типичные экспериментальные зависимости характеристик этого процесса от режимозадающего тока 1и- При наложении на постоянный ток Цз или при инжекции в среднюю секцию малого синусоидального тока соответствующей частоты наблюдался ее жесткий захват. Ширина полосы захвата Af увеличивается с ростом амплитуды синхросигнала Д1 (типичные значения: Af=200 МГц при Д1=5 мА). При фиксации тока In в средней части петли гистерезиса и наложении на него биполярных импульсов тока длительностью 1 не был реализован динамический триггерный режим (рис.4).

При включении по схеме IV в условии непрерывной инжекционной накачки зарегистрированы более сложные виды неустойчивостей, проявляющиеся в удвоении периода пульсаций в интервалах тока, соответствующих изломам ватт-амперной характеристики, и дальнейшем

переходе (с увеличением тока инжекции) к хаотическим пульсациям с практически не зависящей от частоты спектральной плотностью радиочастотного спектра выходного сигнала (рис.5). Ширина спектральной полосы по уровню -3 дБ может быть оценена в 6-7 ГГц.

ЛД с просветленной торцевой гранью исследовались во внешнем дисперсионном резонаторе, собранном по автоколлимационной схеме. Оптическая обратная связь обеспечивалась дифракционной решеткой 600 штр/мм. Экспериментальная установка позволяла одновременно регистрировать оптические и радиочастотные спектры выходного излучения, а также его хронограммы с помощью электронно-оптической камеры «Агат-СФЗМ» и системы бесфильмового считывания с разрешением до 2 пс.

С целью получения регулярной последовательности оптических УКИ использовался метод активно-пассивной синхронизации мод [13]. Минимальная длительность УКИ достигалась при тройном резонансе, когда частота синхросигнала, инжектируемого в центральную секцию, совпадала с собственной частотой автомодуляционных пульсаций ЛД и с межмодовым интервалом (обратным временем обхода) внешнего резонатора и составила 9 пс при полуширине усредненного оптического спектра 0,2 нм (рис.6). В режиме непрерывной инжекции при' токах, превышающих верхнюю границу области автомодуляции, схема обеспечивала получение стационарного одночастотного режима со спектральной шириной линии излучения менее 0,1 нм. Поворот решетки позволял производить непрерывную спектральную перестройку в диапазоне более 15 нм.

На основе исследованных трехсекционных ЛД созданы макеты многофункциональных светоизлучающих модулей, которые могут быть успешно применены во многих оптоэлектронных системах.

В приложении представлены результаты экспериментальных исследований энергетических характеристик высокоэффективных ПЛ с узким активным каналом на основе гетероструктур с раздельным ограничением в системах (С]аА1)А5 (>.=0,85 мкм) и (1пСа)РЛ5 (1=1,3 мкм и 1.55 мкм) в режиме накачки токовыми импульсами длительностью 0,5 не с многократным (до 1000:1) превышением порога генерации. Указываются факторы ограничения энергии выходных оптических импульсов, связанные с нелинейными внутренними потерями и деградацией ЛД.

В заключении приводятся основные результаты диссертационной работы.

которые сводятся к следующему:

1. Проведены прецизионные измерения и сравнительный анализ спектров излучения инжекционных ПЛ на основе СаАз/АЮаАэ- и ЬОаАз/ОаАБ-гетероструктур с квантоворазмерными активными слоями и монолитным плоским резонатором. Экспериментально обнаружена сильная корреляция а-фактора спектрального уширения с параметрами одночастотного режима генерирования.

2. Зарегистрировано, без дополнительных мер спектральной селекции, одночастотное генерирование квантоворазмерного лазера с напряженными активными слоями в системе (1пОа)Аз и величиной а=1,7 с непрерывной выходной мощностью более 100 мВт при уровне подавления боковых продольных мод более 30 дБ.

3. С использованием теоретической модели, учитывающей особенности зонной структуры КРС, рассчитаны спектры спонтанного испускания, оптического усиления и суперлюминесценции СЛД на основе (СаАОАэ-гетероструктур с раздельным ограничением и квантоворазмерным активным слоем.

4. Экспериментально исследованы мощностные. спектральные и поляризационные характеристики излучения СЛД на основе КРС в зависимости от конфигурации активных каналов и режима накачки. Проведен сравнительный анализ теоретических и экспериментальных результатов.

5. Продемонстрирована возможность управления формой усредненного спектра излучения СЛД с использованием комбинированной импульсно-непрерывной накачки. В данном режиме инжекции экспериментально зарегистрирован спектр излучения СЛД с полушириной Д/.=98 им, что соответствует длине когерентности менее 7 мкм.

6. На основе исследованных образцов СЛД с квантоворазмерными активными слоями изготовлены и испытаны макеты светоизлучающих модулей, которые обеспечивали выходную мощность Р>200 мкВт при полуширине спектра А?,>90 нм и Р>2 мВт при ДА>70 нм.

7. Исследованы динамические режимы работы трехсекционного ЛД на основе (СаА1)Аз-гетероструктур при различных схемах включения и различных управляющих сигналах: прямая токовая модуляция в режиме суперлюминесценции и в лазерном режиме при однородной инжекции. а вто модуляция интенсивности (включая гистерезисный режим автомодуляционной бистабильности и хаотический пичковый режим) и ее

синхронизация гармоническим токовым сигналом, генерация пикосекундных оптических импульсов в режимах модуляции добротности и синхронизации мод внешнего резонатора, а также перестройка длины волны излучения. 8. Конструкция исследованных трехсекционных ЛД обеспечивала эффективную стыковку с одномодовыми световодами, что позволяет создавать на основе исследованных лазеров многофункциональные светоизлучающие модули. Практическое использование таких устройств может существенно упростить конструкции и расширить технические возможности многих оптоэлектронных систем.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА.

1. Давыдова Е.Л., Дракин А.Е., Елисеев П.Г., Пак Г.Т., Поповичев В.В.. Успенский М.Б., Хлопотин С.Е., Шишкин В.А. Излучательные характеристики и диаграмма направленности квантоворазмерного инжекционного лазера в спектральной области 780 нм. - Квантовая электроника.. L992. т. 19. №10. с. 10241031.

2. Bogatov А. P., Eliseev P.G., Sverdlov B.N. Anomalous interaction of spectral modes in a semiconductor laser. - IEEE J. Quantum. Electron., 1975, v.QE-11. p.510-512.

3. Plyavenek A.G. Gain nonlinearities in semiconductor lasers: the combined effect of the modulation of the carrier density and the electron temperature at the beat frequency of interacting optical fields. - Optic. Comm., 1993. v. 100, p.278-288.

4. Mechiys D„ Mittelstein M., Yariv A., Sarfaty R., Ungar J. Optimized Fabiy-Perot (AlGa)As QW lasers tunable over 105 nm. - Electron. Lett., 1989, v.25, p. 143-145.

5. Fiber Optics and Laser Sensors XI. - Proc. SPIE, 1993, v.2070.

6. Time Resolved Imaging in Medicine. - Optics & Photonics News, 1993, v.4, #10.

7. Friebele T.J., Kersey A.D. Fiberoptics sensors measure up for smart structures. -Laser Focus World, 1994, v.30, #5, p. 165-171.

8. Жучков H.A., Сафин С.А., Семенов А.Т., Шидловский В.P. Многофункциональные полупроводниковые излучатели и модули на их основе. -Квантовая электроника, 1991, т.18, №11, 1294-1296.

9. Safin S.A., Semenov А.Т., Shidlovski V.R.. Zhuchkov N.A., Kumyavko Yu.V. High-power 0.82 ).un superluminescent diodes with extremely low Fabry-Perot modulation depth. - Electron. Lett., 1992. v.28, #2, p. 127-129.

10.Semenov A.T., Shidlovski V.R., Safin S.A., Konyaev V.P.. Zverkov \1.V. Superluminescent diodes for visible (670 nm) spectral range based on AlGalnP/GalnP

heterostructures with tapered grounded absorber. - Electron. Lett., 1993, v.29, #6. p.530-532.

П.Голдобин И.С., Лукьянов В.Н., Плявенек А.Г., Серегин В.Ф., Якубович С.Д. Генерация оптических моноимпульсов длительностью менее 10 пс двухкомпонентным гетеролазером. - Квантовая электроника. 1987, т. 14, №7, с. 1370-1372.

12.Голдобин И .С., Лукьянов В.Н., С олодков А.Ф., Якубович С.Д. Управление пичковым режимом генерирования двухкомпонентного гетеролазера. Квантовая электроника 1985, т. 12, №5, с.953-955.

13.Васильев П.П., Морозов В.Н., Сергеев А.Б. Генерация ультракоротких импульсов света инжекционными лазерами. - Труды ФИАН, 1987, т. 185, с.3-47.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Шраменко М.В., Якубович С.Д. Генерирование субнаносекундных оптических импульсов высокой энергии при прямой токовой модуляции гетеролазеров. - Квантовая электроника, 1993. т.20. №8. с.758-760.

2. Коняев В.П.. Курносое В.Д., Лукьянов В.Н.. Плявенек А.Г., Шраменко М.В.. Якубович С. Д. Спектральные характеристики одночастотных квантоворазмерных гетеролазеров . - Квантовая электроника. 1994, т.21. №12, с. 1137-1140.

3. Shramenko M.V.. Yakubovich S.D. Output power limitations of subnanosecond light pulses emitted by laser diodes under direct modulation. - Conference on Lasers and Electro-Optics. - Anaheim, 1994. papers CWH17, p.215-217.

4. Plyavenek A.G., Shramenko M.V., Yakubovich S.D., Kumosov V.D., Konyaev V.P. Spectral behaviour of single-mode quantum-well laser diodes. - Conference on Lasers and Electro-Optics. - .Anaheim, 1994, paper # CWH22. p.219-220.

5. Lukyanov V.N., Shramenko M.V., Yakubovich S.D. Correlation between Spectral Characteristics and The Value of Linewidth Enhancement Factor in Quantum-Well Laser Diodes. - CLEO/Europe-EQEC. - Amsterdam, 1994, paper # CThG6.

6. Semenov A.T., Shidlovsky V.R.. Safin S.A., Garmash I.A., Yakubovich S.D., Shramenko M.V. Extremely Wide ( 100 nm ) Spectrum 820 nm Band Single Quantum Well Superluminescent Diodes and Modules For Noncoherent Sensors Application. -10th Optica! Fiber Sensors Conference. - Glasgow, 1994, Post Deadline Papers.

7. Semenov A.T.. Batovrin У.К., Garmash 1.А., Shidlovsky V.R., Shramenko M.V.. Yakubovich S.D. (GaAl)As SQW superluminescent diodes with extremely low

coherence length. - Electronics Letters, 1995, v.31, # 4, p.314-3 15.

8. Batovrin V.K.. Blumin M., Fakete D., Lukyanov V.N., Lyubarsky A.V., Plyavenek A.G., Semenov A.T., Shidlovsky V.R., Shvamenko M.V., Yakubovich S.D. Power, Spectrum and Polarization Behaviour of SQW Superluminescent Diodes. - IEEE Lasers and Electro-Optics Society 8th Annual Meeting. - San Francisco. 1995, paper # SCL7.6, p.300-301.

9. Batovrin V.K., Semenov A.T., Shramenko M.V., Yakubovich S.D. Emission Dynamics of Multifunctional Segmented Laser Diode. - IEEE Lasers and Electro-Optics Society 8th Annual Meeting. - San Francisco, 1995, paper # SCL9.6, p. 145146.

10.Semenov A.T., Shidlovsky V.R., Batovrin V.K., Lyubarsky A.V., Plyavenek A.G., Shramenko M.V., Yakubovich S.D. Spectral and Polarization Characteristics of (GaAl)As SQW Superluminescent Diode Emission. - CLEO/PACIFIC RIM. - Chiba.

1995, paper # F04, p.214.

П.Батоврин В.К., Гармаш И.А.. Геликонов В.М., Геликонов Г.В.. Любарский А.В., Плявенек А.Г.. Сафин С.А., Семенов А.Т., Шидловский В.Р., Шраменко М.В., Якубович С.Д. Суперлюминесцентные диоды на основе однослойных квантоворазмерньгх (СаА^А^-гетероструктур. - Квантовая электроника, 1996, т.23, № 2, с.113-118.

12,Батоврин В.К., Семенов А.Т., Шраменко М.В., Якубович С.Д. Динамика многофункционального трехсекционного гетеролазера. - Квантовая электроника.

1996, т.23, №2,с.125-129.

1,4

J (отн.ед.) ю* -

ю3 _

ю'

ю

20

ЗО

4-0

50

60

1 (мА)

Рис. 1. Зависимость интенсивности доминирующей (•) и ближайших к ней (1-й и 2-й справа и слева) продольных мод (о) от тока инжекцин.

740 780 820 860 900

X (нм)

Рис.2. Спектр суперлюминесценции в условиях комбинированной накачки для 1СУ/=80мА, 1р=400мА и скважности 10; ^-постоянный ток инжекции, 1Р-импульсный ток инжекции, А/.-ширина спектра на полувысоте.

Рис.3. Ватт-амперные характеристики трехсекционных ЛД при различных схемах включения 1-У для образца со сколотыми гранями без покрытий.

Рис.4. Осциллограммы тока и мощности в динамическом триггерном режиме (режимозадающий ток 1ц=88мА, амплитуда биполярных импульсов тока |Д1,,|=8мА).

0 2 4 6

Ч"С) Г (ГГц)

Рис.5. Хронограммы и радиочастотные спектры мощности выходного сигнала (схема IV) при 1,3=123 (а), 125 (б) и 127 мА («)•

н о

II. 3

н о

Х(нм)

50 Мгц/дел

а

о

в

Рис.6. Хронограммы (а), оптические (б) и радиочастотные спектры первой гармоники (Т=1ГТц) (в) выходного сигнала в режиме свободной генерации (I) и в режиме синхронизации мод (И).