СПОСОБ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА
METHOD FOR ASSESSING QUALITY OF HETEROSTRUCTURE OF SEMICONDUCTOR LASER

Настоящее изобретение относится к квантовой электронной технике, а точнее к способам оценки качества мощных полупроводниковых лазеров.
-1
Мощные полупроводниковые лазеры находят широкое применение во многих отраслях науки и техники, например их используют в качестве источника оптического излучения для накачки волоконных усилителей, волоконных и твердотельных лазеров. В этом применении лазера необходимо, чтобы полупроводниковый лазер сочетал в себе максимальные КПД и мощность излучения. Разработка новых подходов к конструированию мощных полупроводниковых лазеров позволила существенно улучшить оптические параметры их гетероструктур. Для современных полупроводниковых лазеров внутренние оптические потери составляют величину менее 1 см при внутреннем квантовом выходе, близком к 100%, при токе накачки, близком к пороговому току лазерной генерации. Однако при дальнейшем увеличении тока накачки величина внутренних оптических потерь растет, приводя к снижению эффективности полупроводникового лазера. При промышленном производстве мощных полупроводниковых лазеров важную роль играет контроль их качества и рабочих параметров.
Известен способ оценки качества полупроводниковых лазеров (см. заявка JP 2009004422, МПК H01S 5/00, опубликована 08.01.2009), который заключается в том, что на полупроводниковый лазер последовательно подают импульсы тока для накачки лазера различной амплитуды с энергией, достаточной для разогрева полупроводникового лазера, измеряют выходную оптическую мощность полупроводникового лазера при каждой амплитуде импульса тока накачки, затем на основании соотношения величин амплитуды тока накачки и выходной оптической мощности делают вывод о качестве полупроводникового лазера.
Известный способ не позволяет оценить величину внутренних оптических потерь в полупроводниковом лазере.
Известен способ оценки качества полупроводниковых лазеров (см. заявка US 2013236087, МПК G01N 21/66; G01R 31/26; G06F 19/00; G06K 9/62, опубликована 06.03.2012), который содержит следующие шаги: полупроводниковый лазер фотографируют, по фотографии определяют наличие или отсутствие дефектов кристалла, при их наличии полупроводниковый лазер отбраковывают. При отсутствии дефектов вычисляют последовательность амплитуд токов, увеличивающуюся на постоянную величину, затем эту последовательность токов подают на полупроводниковый лазер, при каждой амплитуде тока измеряют величины выходной оптической мощности и напряжения, падающего на полупроводниковом лазере. Затем строят таблицу и графики зависимостей выходной оптической мощности и напряжения от амплитуды тока накачки полупроводникового лазера. По построенным графикам и таблице принимают решение о качестве полупроводникового лазера.
Известен способ измерения величины внутренних оптических потерь гетероструктуры и внутреннего квантового выхода стимулированного излучения (см. Слипченко C.O., Винокуров Д.А, Пихтин Н.А., Соколова З.Н., Станкевич А.Л., Тарасов И.С., Алферов Ж.И., ФТП, 38 (12), 1477, 2004). Он заключается в том, что из одной гетероструктуры изготавливают полупроводниковые лазеры с различной длиной резонатора и одинаковыми остальными параметрами; лазеры накачивают током изменяемой амплитуды; измеряют выходную мощность лазеров с различной длиной резонатора при различных амплитудах тока накачки вблизи порогового тока лазерной генерации; измеряют длину волны излучения лазеров при токе накачки, большем порогового тока лазерной генерации; по измеренным величинам мощности лазеров от тока накачки строят ватт-амперные характеристики всех полупроводниковых лазеров; по построенным ватт-амперным характеристикам и измеренной длине волны излучения для каждого полупроводникового лазера вычисляют величину внешней дифференциальной квантовой эффективности; строят зависимость обратной величины дифференциальной квантовой эффективности от длины лазерного резонатора, эту зависимость аппроксимируют линией; по параметрам аппроксимирующей линии вычисляют величины внутренних оптических потерь и внутреннего квантового выхода гетероструктуры.
Недостатками известного способа являются невозможность определить величину внутренних оптических потерь гетероструктуры в отдельном полупроводниковом лазере, невозможность определить величину внутренних оптических потерь гетероструктуры при больших токах накачки.
Известен способ измерения внутренней квантовой эффективности и внутренних оптических потерь гетероструктуры лазера (см. заявка CN 104062575, МПК G01M-011/02 G01R-031/26, опубликована 24.09.2014) в соответствии с которым на оптической оси резонатора лазера устанавливают устройство внешней оптической обратной связи; при этом зеркало резонатора лазера и зеркало устройства внешней оптической обратной связи эквивалентны резонатору, путем изменения коэффициента отражения устройства внешней оптической обратной связи изменяют интенсивность обратной связи и изменяют выходную мощность лазера; измеряют ватт-амперные характеристики лазера при различных интенсивностях обратной связи и строят набор ватт-амперных характеристик; по ватт-амперным характеристикам вычисляют внешнюю дифференциальную квантовую эффективность для каждой величины интенсивности обратной связи; величины внутренней квантовой эффективности и внутренних оптических потерь вычисляют путем аппроксимации зависимости внешней дифференциальной квантовой эффективности от коэффициента отражения устройства внешней оптической связи.
Недостатками известного способа являются невозможность определить величину внутренних оптических потерь гетероструктуры при больших токах накачки, а также наличие погрешности, связанной с изменением концентрации носителей заряда в активной области гетероструктуры полупроводникового лазера при изменении обратной связи и, как следствие, - изменении условий порога лазерной генерации.
Наиболее близким по технической сущности и по совокупности существенных признаков является способ оценки качества гетероструктуры полупроводникового лазера (см. патент GB 2127149, МПК G01N 21/64, G01R 31/26, H01L 21/66, H01S 5/00, опубликован 03.04.1986), который заключается в том, что гетероструктуру полупроводникового лазера облучают оптическим излучением с энергией, достаточной для возбуждения фотолюминесценции в активной области, но меньшей энергии поглощения оптического излучения в ограничительных слоях гетероструктуры, изменяют интенсивность оптического излучения и измеряют интенсивность возбуждаемой фотолюминесценции, полученная зависимость может быть линейной, если активная область лежит вне p-n перехода, либо сильно нелинейной с выраженным порогом, после которого интенсивность фотолюминесценции резко возрастает, что говорит о наличии p-n перехода в активной области; затем качество гетероструктуры оценивают по наличию или отсутствию p-n перехода в активной области.
Известный способ оценки качества гетероструктуры полупроводникового лазера технологически сложен и не позволяет оценить величину внутренних оптических потерь гетероструктуры полупроводникового лазера.
Задачей настоящего технического решения являлась разработка такого способа оценки качества гетероструктуры полупроводникового лазера, который позволял бы производить измерения для отдельного полупроводникового лазера или отдельного излучателя в линейке или матрице полупроводниковых лазеров при высоких токах накачки и не вносил бы погрешности, связанные с изменением концентрации носителей заряда в активной области полупроводникового лазера.
Поставленная задача решается тем, что способ оценки качества гетероструктуры полупроводникового лазера включает воздействие на волноводный слой гетероструктуры полупроводникового лазера световым излучением, не испытывающим межзонное поглощение в его активной области, но поглощаемым на свободных носителях в волноводном и ограничительных слоях гетероструктуры, регистрацию величины интенсивности светового излучения, прошедшего через волноводный слой гетероструктуры полупроводникового лазера при отсутствии тока накачки и при заданной величине тока накачки, определение величины внутренних оптических потерь гетероструктуры по формуле
-1
где α - величина внутренних оптических потерь гетероструктуры, см;
L - длина резонатора полупроводникового лазера, см;
0
Int - интенсивность светового излучения, прошедшего через волноводный слой гетероструктуры полупроводникового лазера, при отсутствии тока накачки полупроводникового лазера, отн. единица;
1
Int - интенсивность светового излучения, прошедшего через волноводный слой гетероструктуры полупроводникового лазера, при заданном токе накачки полупроводникового лазера, отн. единица.
При величине внутренних оптических потерь, меньших заданной величины для данного типа лазера, судят о высоком качестве гетероструктуры полупроводникового лазера.
Настоящий способ поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная схема установки для измерения величины внутренних оптических потерь в полупроводниковом лазере при высоких уровнях тока накачки.
На чертеже указаны: исследуемый полупроводниковый лазер 1, источник 2 зондирующего излучения, оптический изолятор 3, видеокамера 4, полупрозрачная делительная пластина 5, селектирующий фильтр 6, фотопреобразователь 7, фокусирующие линзы 8, 9, 10, 11, 12. К источнику зондирующего излучения 2 предъявляют следующие требования: энергия кванта излучения меньше энергии ширины запрещенной зоны активной области полупроводникового лазера 1; излучение может фокусироваться в пятно размером меньше или равное размерам волновода полупроводникового лазера 1. В качестве источника 2 зондирующего излучения удобно использовать другой полупроводниковый лазер. Оптический изолятор 3 должен пропускать зондирующее излучение с минимальными потерями и должен обеспечивать максимально полное поглощение излучения полупроводникового лазера 1. В качестве оптического изолятора 3 может использоваться спектрально селектирующий элемент либо оптический изолятор на основе ячейки Фарадея. Селектирующий фильтр 6 должен пропускать зондирующее излучение с минимальными потерями и обеспечивать максимально полное поглощение излучения полупроводникового лазера 1. В качестве селектирующего фильтра 6 могут использоваться спектрально селектирующий элемент, монохроматор, дихроичное зеркало. Фотопреобразователь 7 должен обеспечивать линейность преобразования оптического сигнала зондирующего излучения во всем динамическом диапазоне интенсивности зондирующего излучения. В качестве фотопреобразователя 7 могут использоваться болометр, фотодиод и другие аналогичные приборы.
Способ оценки качества гетероструктуры полупроводникового лазера осуществляют следующим образом. На оптической оси резонатора полупроводникового лазера 1 устанавливают источник 2 зондирующего излучения, не испытывающего межзонное поглощение в его активной области, но поглощаемое на свободных носителях в волноводном и ограничительных слоях гетероструктуры. Источник 2 зондирующего излучения оптически изолируют от излучения полупроводникового лазера 1 оптическим изолятором 3. Зондирующее излучение от источника 2 вводят в волновод полупроводникового лазера 1 с помощью фокусирующих линз 8, 9. Качество ввода излучения контролируют при помощи системы из видеокамеры 4 и полупрозрачной делительной пластины 5, направляющей часть зондирующего излучения через фокусирующие линзы 10, 12 на видеокамеру. Зондирующее излучение, прошедшее сквозь гетероструктуру полупроводникового лазера 1 и фокусирующую линзу 11, селектируют от излучения полупроводникового лазера 1 селектирующим фильтром 6 и измеряют фотопреобразователем 7. Далее полупроводниковый лазер 1 накачивают током требуемой амплитуды и при этом измеряют фотопреобразователем 7 интенсивность сигнала зондирующего излучения. Величину внутренних оптических потерь рассчитывают по соотношению интенсивностей зондирующего излучения при отсутствии и при наличии тока накачки по следующей формуле:
-1
где α - величина внутренних оптических потерь, см;
L - длина резонатора полупроводникового лазера, см;
0
Int - интенсивность зондирующего излучения при отсутствии тока накачки полупроводникового лазера, отн. единица;
1
Int - интенсивность зондирующего излучения при заданном токе накачки полупроводникового лазера, отн. единица.
При величине внутренних оптических потерь, меньших заданной величины для данного типа лазера, судят о высоком качестве гетероструктуры полупроводникового лазера.
Настоящий способ одинаково применим и для оценки качества резонатора одиночного излучателя в линейке или матрице полупроводниковых лазеров.
Настоящий способ оценки качества гетероструктуры полупроводникового лазера основан на следующем. Вводимое в волноводные слои гетероструктуры полупроводникового лазера световое зондирующее излучение, не испытывающее межзонное поглощение в его активной области, тем не менее испытывает поглощение на свободных носителях в активной области, в волноводном и ограничительных слоях гетероструктуры, которое в мощных полупроводниковых лазерах является основным механизмом внутренних оптических потерь (см. Пихтин Н.А., Слипченко C.O., Соколова З.Н., Тарасов И.С, ФТП, 38, №3, 374, 2004).
Интенсивность зондирующего излучения на выходе из полупроводникового лазера определяется следующим соотношением:
1
где Int - интенсивность зондирующего излучения на входе в полупроводниковый лазер, отн. ед.;
2
Int - интенсивность зондирующего излучения на выходе из полупроводникового лазера, отн. ед.;
1
R - коэффициент отражения зеркала полупроводникового лазера, в которое входит зондирующее излучение, безразмерный;
2
R - коэффициент отражения зеркала полупроводникового лазера, из которого выходит зондирующее излучение, безразмерный;
L - длина резонатора полупроводникового лазера, см;
-1
α - величина коэффициента поглощения на свободных носителях, см.
При изменении тока накачки мощного полупроводникового лазера коэффициент поглощения на свободных носителях в его слоях меняется (см. Веселов Д.А., Капитонов В.А., Пихтин Н.А., Лютецкий А.В., Николаев Д.Н., Слипченко C.O., Соколова З.Н., Шамахов В.В., Шашкин И.С., Тарасов И.С. Квантовая электроника, 44, №11, 993, 2014), следовательно, и амплитуда зондирующего излучения на выходе из полупроводникового лазера изменяется в соответствии со следующим соотношением:
1
где Int - интенсивность зондирующего излучения до изменения тока накачки полупроводникового лазера, отн. ед.;
2
Int - интенсивность зондирующего излучения после изменения тока накачки полупроводникового лазера, отн. ед.;
L - длина резонатора полупроводникового лазера, см;
1
-1
α - величина коэффициента поглощения на свободных носителях до изменения тока накачки полупроводникового лазера, см;
2
-1
α - величина коэффициента поглощения на свободных носителях после изменения тока накачки полупроводникового лазера, см.
Изменяя ток накачки полупроводникового лазера от нуля до значения тока, при котором требуется измерить величину внутренних оптических потерь, и регистрируя изменение интенсивности зондирующего излучения, можно рассчитать величину изменения коэффициента поглощения на свободных носителях в слоях гетероструктуры полупроводникового лазера по формуле
-1
Величина изменения коэффициента поглощения на свободных носителях, связанная с током накачки, включает в себя как поглощение, обусловленное пороговой концентрацией носителей в активной области, так и поглощение, обусловленное ростом концентрации носителей в волноводе с ростом амплитуды тока накачки. Полная величина внутренних оптических потерь в полупроводниковом лазере при высоких токах накачки лишь незначительно выше величины изменения коэффициента поглощения на свободных носителях, обусловленного токовой накачкой полупроводникового лазера. Таким образом, определив величину изменения коэффициента поглощения на свободных носителях по формуле (4), можно определить величину внутренних оптических потерь в полупроводниковом лазере при высоком токе накачки по формуле (1) с точностью до постоянного слагаемого, который для современных мощных полупроводниковых лазеров составляет не более 0,5 см.
-1
-1
Пример. Для оценки качества мощного полупроводникового лазера на основе гетероструктуры, изготовленной из твердых растворов AIGaAs и InGaAs на подложке GaAs с длиной резонатора 0,5 см, излучающего на длине волны 1060 нм, в качестве источника зондирующего излучения использовали аналогичный полупроводниковый лазер, излучающий на длине волны 1110 нм, работающий в непрерывном режиме с выходной оптической мощностью 1 Вт, в качестве оптического изолятора использовали оптический изолятор на основе ячейки Фарадея, в качестве видеокамеры использовали светочувствительную матрицу - прибор с зарядовой связью, в качестве селектирующего фильтра использовали длинноволновый фильтр, пропускающий излучение с длиной волны более 1100 нм, а в качестве фотопреобразователя - фотодиод. На оцениваемый полупроводниковый лазер подавали токовый импульс амплитудой 10 А, длительностью 100 нс, измеряли сигнал с фотодиода. Измеренная интенсивность сигнала зондирующего излучения в отсутствие тока накачки составляла 32 отн. ед., при наличии тока накачки интенсивность сигнала зондирующего излучения составляла 19 отн. ед. По формуле 1 рассчитывали величину внутренних оптических потерь, которая составляла 1,15 см. Для данного типа оцениваемого лазера при токе 10 А (рабочий ток) величина внутренних оптических потерь не должна превышать 1 см для эффективной работы полупроводникового лазера. Таким образом, оцениваемый лазер не прошел контроль качества.