ДВУХСЕКЦИОННЫЙ ЛАЗЕР
TWO-SECTION LASER

3
5
Настоящее изобретение относится к оптоэлектронике, а более конкретно к светоизлучающим квантоворазмерным гетероструктурам из материалов АВ и к конструкциям таких структур, в частности лазеров, работающих в инфракрасном диапазоне длин волн.
Лазеры с квантовыми точками (КТ) представляют большой практический интерес, поскольку обладают меньшей пороговой плотностью тока и меньшими внутренними потерями по сравнению с другими типами полупроводниковых лазеров. Инжекционные лазеры с КТ диапазона 1,3 мкм используются в системах оптической связи, в частности в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС), а излучатели с длиной волны 1,06 мкм могут использоваться в качестве задающих лазеров для твердотельных усилителей на основе редкоземельных ионов Nd и Yt. В этих применениях излучение полупроводникового лазера необходимо модулировать на высокой частоте, при этом наиболее простым способом является токовая модуляция. Наиболее важной электрооптической характеристикой лазера является дифференциальная зависимость оптической мощности от тока, поскольку именно ей определяется изменение сигнала при изменении тока и, соответственно, передаваемая информация. Дифференциальная эффективность коммерчески доступных лазеров составляет около 0,5 Вт/А и теоретически может быть доведена до 0,95 Вт/А на длине волны 1,3 мкм, но при этом необходимо использовать короткие лазерные диоды для уменьшения влияния внутренних потерь. Это невыгодно в практических применениях, поскольку приводит к увеличению пороговой плотности тока, разогреву прибора и, соответственно, к необходимости термоэлектрического охлаждения.
Известен односекционный лазер с КТ (см. Sugawara, М., Hatori, N., Ishida, М., Ebe, Н., Arakawa, Y., Akiyama, T., Otsubo, К., Yamamoto, Т. and Nakata, Y. Recent progress in selfassembled quantum-dot optical devices for optical telecommunication:temperature-insensitive 10 Gb/s directly modulated lasers and 40 Gb/s signal-regenerative amplifier. J. Phys. D Appl. Phys., 2005, 38, p.2126) с активной областью на основе самоорганизующихся вертикально-коррелированных КТ (ВККТ), дополнительно легированной примесью р-типа. Такое легирование уменьшает эффективность известной конструкции, но зато увеличивает температурную стабильность и позволяет получить изменение порогового тока всего на 8% при изменении температуры с 20 до 50°С. Известная конструкция представляет собой лазер с двумя электрическими контактами: верхний - анод и нижний - катод, на заднее зеркало которого нанесено отражающее покрытие, а переднее зеркало, через которое выводится основная часть излучения, оставлено без покрытий. Дифференциальная эффективность известного лазера, измеренная с переднего зеркала, составляет 0,32 мВт/мА. Достоинством известной конструкции лазера является высокая температурная стабильность порогового тока и малый уровень шумов, обусловленные использованием в качестве активной среды ВККТ. По этим характеристикам известная конструкция превосходит широко используемые в настоящее время лазеры на КЯ. В то же время дифференциальная эффективность известной конструкции лазера на КТ примерно на 25% меньше, чем у лазеров на КЯ.
Известен двухсекционный лазер на КТ (см. I.M.Gadjiev, А.Е.Gubenko, M.S.Buyalo, E.L.Portnoi, A.R.Kovsh, S.S.Mikhrin, I.L.Krestnikov and N.N.Ledentsov. - Q-switching and mode-locking in QD lasers at 1.06 mm. - 13th Int. Symp. Nanostructures: Physics and Technology, St. Petersburg, Russia, June 20-25, 2005, pp.83-84), у которого активная область состоит из пяти слоев InAs КТ в GaAs, вследствие чего длина волны излучения известного лазера смещена в диапазон 1,06-1,08 мкм.
Известный двухсекционный лазер используется для генерации непрерывной последовательности оптических импульсов с высокой мощностью и малой длительностью в режиме синхронизации мод. Однако такой режим работы не позволяет использовать такие лазеры в системах связи, поскольку периодическая последовательность импульсов не содержит информации.
Известна трехсекционная конструкция лазера с КТ (см. US патент №7103079, МПК H01S 3/00, опубликован 5.09.2006). Известный трехсекционный лазер работает в режиме синхронизации мод и излучает периодическую последователь оптических импульсов с малым уровнем фазовых и амплитудных шумов (jitter) при подборе определенных различных значениях смещения на трех секциях. Такую конструкцию можно использовать в качестве источника опорной частоты (clock signal) и для синхронизации сигналов в системах ВОЛС. За счет наличия третьей модулирующей секции частоту следования импульсов можно изменять кратно частоте обхода резонатора путем модуляции этой секций лазера внешним генератором на частоте, равной частоте синхронизации мод (режим активной синхронизации мод). К остальным секциям в этот момент приложено постоянное смещение.
Для передачи информации необходимо модулировать излучение с произвольной частотой, поэтому такая конструкция не может быть использована в качестве источника информационного сигнала.
+
2
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.2
0.8
0.2
0.8
0.5
0.5
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому техническому решению является двухсекционный лазер с активной областью на квантовых ямах (КЯ), принятый за прототип (см. N. Moore, К. Y. Lau. - Ultrahigh efficiency microwave signal transmission using tandem-contact single quantum well AlGaAs lasers. - Appl. Phys. Lett. 55, p.936, 1989). Двухсекционный лазер-прототип на основе соединений AlGaAs/GaAs выращен на n-GaAs-подложке, содержит выращенные последовательно буферную сверхрешетку из пяти слоев GaAs и AlGaAs толщиной 10 нм каждый, нижний прикрывающий слой AlGaAs, волноводный градиентный слой AlGaAs→AlGaAs толщиной 0,2 мкм, квантовую яму - 10 нм GaAs, волноводный градиентный слой AlGaAs→Al0.5Ga0.5As, верхний прикрывающий р-легированный слой AlGaAs. Длина волны излучения лазера-прототипа около 0,85 мкм, а пороговая плотность тока 450 А/см.
Достоинством двухсекционного лазера-прототипа является большая, чем у односекционных лазеров дифференциальная эффективность. Однако, так как активная область такого лазера выполнена на гетероструктуре с КЯ, то такой лазер имеет большую плотность порогового тока, меньшую длину (а значит большее тепловое сопротивление) и меньшую выходную мощность. К тому же длина волны излучения составляет около 0,85 мкм, которая в настоящее время мало употребляется в системах связи.
Задачей заявляемого изобретения являлась разработка такого двухсекционного лазера, который бы имел меньшую пороговую плотность тока и большую стабильность при сохранении высокой дифференциальной эффективности.
Поставленная задача решается тем, что двухсекционный лазер на основе соединений AlGaAs/GaAs включает ограниченную двумя зеркалами подложку GaAs n-типа, на которой расположены поглощающая секция и усиливающая секция, изолированные друг от друга зазором из полупроводникового материала с имплантированными в него тяжелыми ионами, при этом каждая секция содержит последовательно расположенные на упомянутой подложке буферный слой GaAs n-типа, переходный слой AlGaAs с изменяющимся градиентным составом х от 0 до 0,35, уменьшающим количество дефектов, нижний эмиттерный слой AlGaAs n-типа, нижнюю часть из GaAs волноводного слоя, по меньшей мере пять слоев ВККТ, разделенных слоями GaAs, необходимых для достижения порогового усиления в лазере длиной менее 1 мм, при этом каждый слой ВККТ содержит массив КТ, самоорганизовавшийся из слоя InAs и заращенный слоем InGaAs, верхнюю часть волноводного слоя, верхний эмиттерный слой AlGaAs р-типа, верхний переходный слой с градиентным составом и контактный слой GaAs р-типа.
0.35
1-0.35
0.35
1-0.35
18
-3
17
Нижний эмиттерный слой n-типа может быть выполнен из слоя AlGaAS, легированного кремнием с концентрацией 10 см и слоя AlGaAs с меньшим уровнем легирования 5·10 для уменьшения поглощения в этом слое.
0.35
1-0.35
0.35
1-0.35
17
18
-3
Верхний эмиттерный слой р-типа может быть выполнен из прилегающего к волноводу слоя AlGaAs, легированного углеродом с концентрацией 5·10 и слоя AlGaAs с большим уровнем легирования 10 см для уменьшения контактного сопротивления.
Слой InAs может быть выполнен толщиной 0,6-0,9 нм.
Двухсекционный лазер может содержать 5-15 слоев КТ.
0.15
1-0.15
Слой КТ может быть заращен слоем InGAs толщиной 5-7 нм для обеспечения длины волны излучения около 1,3 мкм.
Толщина слоя GaAs, разделяющего соседние слои КТ, может быть выполнена толщиной не менее 20 нм для предотвращения туннельной связи между слоями.
В качестве тяжелых ионов, имплантированных в область зазора между секциями, могут быть использованы ионы азота (N), кислорода (О), аргона (Ar), а также другие типы ионов, дозу облучения которыми необходимо подбирать для обеспечения изоляции между секциями.
11
2
В известном двухсекционном лазере-прототипе изоляция между секциями достигается травлением контактного и эмиттерного слоев. При малой глубине травления этот способ не обеспечивает должную степень изоляции, а при большой глубине возникает отражение от боковой границы травления. В заявляемом двухсекционном лазере изоляция между секциями происходит за счет имплантации тяжелых ионов в область зазора между секциями, например, через маску фоторезиста. Области полупроводника, подвергнувшиеся облучению тяжелыми ионами с дозой ~5·10 ион/см, становятся полуизолирующими вследствие уменьшения времени жизни неравновесных носителей, чем достигается электрическая изоляция между секциями. Такая изоляция не требует глубокого травления контактного слоя между секциями и таким образом исключает отражение от границы травления, которое является источником спектральных и амплитудных шумов лазерного излучения.
2
У заявляемого лазера пороговая плотность тока составляет менее 90 А/см при ширине полоска 5 мкм, что примерно в 3 раза меньше, чем у лазера-прототипа, вследствие использования в конструкции прототипа активной среды с КЯ, созданных ранее, чем КТ. Поэтому плотность тока в рабочем режиме также меньше в 2 раза, чем у прототипа, а это означает меньший в 2 раза нагрев относительно температуры теплоотвода.
В то же время плотность рабочего тока остается на уровне известных конструкций с КТ (см. US патент №7103079, МПК H01S 3/00, опубликован 5.09.2006) при одинаковой излучаемой оптической мощности в диапазоне 7-14 МВт, которая характерна для высокоскоростной оптической связи. Одновременно с сохранением низкой плотности тока, присущей известным конструкциям на КТ (см. патент РФ №2205468, МПК H01L 21/20, H01S 5/343, опубликован 09.07.2002), дифференциальная эффективность заявляемой конструкции лазера больше примерно в 4 раза и находится на уровне лазера-прототипа вследствие использования конфигурации лазера с двумя секциями.
-1
Дополнительным преимуществом по сравнению с прототипом является большая длина лазера, что улучшает отвод тепла, так как скорость отвода тепла пропорциональна длине. Электрическое сопротивление заявляемой конструкции составляет около 1,5 Ом и меньше, чем у прототипа в 3 раза, поскольку сопротивление обратно пропорционально длине лазера, а длина заявляемого лазера больше. При этом меньшее сопротивление одновременно увеличивает КПД накачки и дополнительно снижает нагрев активной области вследствие уменьшения джоулевых потерь. Возможность использовать лазер большей длины обусловлена применением активного слоя с КТ, у которых поглощение на свободных носителях мало в связи с малым фактором оптического ограничения. В структуре, из которой изготавливались образцы для заявляемой конструкции, поглощение на свободных носителях составляет менее 2 см по данным измерения эффективности лазеров различной длины.
Длина волны излучения заявляемого лазера составляет около 1,3 мкм вместо 0,85 у лазера-прототипа, а именно на этой длине волны у оптического волокна минимальная дисперсия. Изготовить лазер с КЯ, аналогичный прототипу, но с длиной волны излучения 1,3 мкм возможно, но при этом необходимо использовать подложку из InP вместо GaAs, а лазеры на подложках из InP имеют меньшую эффективность и худшие температурные характеристики, чем на подложках из GaAs. У лазерных структур с КТ, выращенных на подложках GaAs и использованных в заявляемой конструкции лазера, зависимость эффективности от температуры меньше, чем у структур с КЯ на InP. При увеличении температуры теплоотвода с 25 до 60°С эффективность заявляемой конструкции снизилась всего на 14%.
В настоящее время считается установленным, что лазеры с КТ обладают рядом преимуществ по сравнению с лазерами на КЯ. Как известно, дифференциальная эффективность лазера приближенно описывается формулой (см. X.Кейси и М.Паниш. - Лазеры на гетероструктурах. - Мир, Москва, - т.1, стр.210, 1981):
.
внутр
В случае двухсекционного лазера потери α зависят от смещения поглощающей секции, поэтому дифференциальная эффективность меняется с изменением ее рабочей точки. При этом изменение поглощения происходит за счет следующих трех факторов:
1) сублинейной зависимости усиления и поглощения от числа инжектированных носителей (см. D.R.Matthews, Н.D.Summers and P.М.Smowto. - Experimental investigation of the effect of wetting-layer states on the gain-current characteristic of quantum-dot lasers. - Appl. Phys. Lett. - 2002, v.82, p.4904), вследствие чего в двухсекционных лазерах наблюдается оптическая бистабильность (см. N.S.Averkiev, V.V.Nikolaev, M.Yu.Poliakov, A.E.Gubenko, I.M.Gadjiev and E.L.Portnoi. - Analysis of bistable quantum dot injection laser”, 13th Int. Symp. Nanostructures: Physics and Technology. - St. Petersburg, Russia. - June 20-25, 2005, p.108-109);
2) увеличения времени жизни неравновесных носителей с ростом напряжения. Этот эффект обуславливает работу лазера в режиме синхронизации мод при больших отрицательных напряжениях на поглощающей секции, режим модуляции добротности или бистабильный режим при небольших положительных смещениях (см. I.M.Gadjiev, A.E.Gubenko, M.S.Buyalo, E.L.Portnoi, A.R.Kovsh, S.S.Mikhrin, I.L.Krestnikov and N.N.Ledentsov. - Q-switching and mode-locking in QD lasers at 1.06 µm”. - 13th Int. Symp.Nanostructures: Physics and Technology. - St. Petersburg, Russia. - June 20-25, 2005, p.83-84);
3) смещения линии поглощения за счет эффекта Штарка при изменении напряжения на поглощающей секции (см. Портной Е.Л; Гаджиев И.М; Губенко А.Е; Соболев М.М; Ковш А.Р; Бакшаев И.О. - Поляризационная зависимость сдвига Штарка в поглощении в InGaAs/GaAs лазерных структурах с квантовыми точками. - 2007, Письма ЖТФ, т.33, с.28-33).
Все эти факторы при увеличении напряжения на поглощающей секции приводят к уменьшению поглощения, а при достаточно большом смещении вместо поглощения возникает усиление. Вследствие резкой зависимости параметров поглощающей секции от приложенного напряжения при небольшом (около 0,1 от порога лазерной генерации) смещении дифференциальная эффективность двухсекционного лазера с КТ имеет значительно большую величину, чем у обычно используемого односекционного лазера.
Заявляемое изобретение поясняется чертежами, где:
на фиг.1 показан вид сбоку на двухсекционный лазер;
на фиг.2 приведен вид спереди на двухсекционный лазер;
на фиг.3 показано схематичное изображение поперечного сечения лазерной структуры;
на фиг.4 приведено изображение слоев ВККТ, полученное с помощью просвечивающего электронного микроскопа 2100F фирмы JEOL.
на фиг.5 показан поперечный скол двухсекционного лазера во время имплантации тяжелых ионов;
на фиг.6 приведен продольный скол двухсекционного лазера во время имплантации тяжелых ионов;
на фиг.7 показаны ватт-амперные характеристики заявляемого двухсекционного лазера (1) и односекционного лазера (2) одинаковой длины; длина усиливающей секции двухсекционного лазера 0.6 мм, ток 40 мА, длина модулирующей секции 0.4 мкм, ток изменяется от 0 до 5 мА, дифференциальная эффективность при 9 мВт составляет 1.7 мВт/мА; длина односекционного лазера 1 мм, эффективность во всем диапазоне 0.48 мВт/мА;
на фиг.8 показан бистабильный режим работы заявляемого двухсекционного лазера (1 - ток возрастает; 2 - ток убывает);
на фиг.9 в таблице приведена детальная карта лазерной структуры, использованной для создания заявляемого лазера.
x
1-x
x
1-x
2
0.35
1-0.35
0.35
1-0.35
0.35
1-0.35
0.35
1-0.35
18
-3
18
-3
18
-3
18
-3
Пример заявляемого двухсекционного лазера на основе соединений AlGaAs/GaAs включает (см. фиг.1, 2) подложку 1 GaAs n-типа, на которой расположены: поглощающая секция 2 и усиливающая секция 3, изолированные друг от друга имплантированными в область зазора 4 между секциями 2, 3 тяжелыми ионами. Каждая секция 2, 3 (см. фиг.3, 4) содержит последовательно расположенные на подложке 1 буферный слой 5 GaAs n-типа, переходный слой 6 AlGaAs с градиентным изменением х от 0 до 0,35, нижний эмиттерный слой 7 AlGaAs n-типа, нижнюю часть 8 из GaAs волноводного слоя 9, 5-15 слоев 10 ВККТ, разделенных слоями 11 GaAs совпадает с числом слоев КТ). Каждый слой 10 ВККТ содержит массив КТ, самоорганизовавшийся из слоя InAs и заращенный слоем InGaAs. Двухсекционный лазер далее содержит верхнюю часть 12 волноводного слоя 9, верхний эмиттерный слой 13 AlGaAs р-типа, верхний переходный слой AlGaAs 14 с градиентным изменением х от 0,35 до 0 и контактный слой 15 GaAs р-типа. Области, через которые ток не должен протекать, закрываются изолятором 16 - диоксидом кремния SiO. Зеркала 17, 18 сформированы скалыванием кристалла, при этом на зеркало 17 нанесено отражающее покрытие 19, поэтому почти вся мощность излучается через переднее зеркало 18. Лазер также снабжен верхним омическим контактом 20 и нижним омическим контактом 21 (к теплоотводу припаян нижний контакт лазера, теплоотвод одновременно отводит тепло и проводит ток, так же как в известных конструкциях). Нижний эмиттерный слой 7 может быть выполнен из слоя ACGaAs, легированного кремнием с концентрацией 10 см, и слоя ACGaAs, легированного кремнием с концентрацией 0.5·10 см. Верхний эмиттерный слой 13 может быть выполнен из слоя ACGaAs, легированного углеродом с концентрацией 0.5·10 см, и слоя ACGaAs, легированного углеродом с концентрацией ·10 см. Слой InAs может быть выполнен толщиной 0,6-0,9 нм.
0.15
1-0.15
Слой КТ может быть заращен слоем InGaAs толщиной 5-7 нм.
Слой GaAs, разделяющий соседние слои КТ, может быть выполнен толщиной не менее 20 нм, максимальное расстояние между слоями ограничено их числом и толщиной волновода, поскольку для эффективного взаимодействия с полем световой волны КТ должны находиться в области, где значение поля велико, т.е. в волноводе.
Заявляемая лазерная структура выращивалась на установке молекулярной эпитаксии Riber 32Р. Лазерные структуры с 10 слоями КТ были выращены на подложках GaAs n-типа, легированных Si, ориентированных в плоскости (100). Последовательность эпитаксиальных слоев соответствует стандартной лазерной структуре с раздельным ограничением носителей заряда и световой волны (SCH) в системе материалов AlGaAs/GaAs. Содержание Al в эмиттерных слоях AlGaAs составляло 35%. Активная область лазера формировалась осаждением 10 плоскостей КТ В качестве материала матрицы, окружающей КТ, использовался GaAs и InGaAs. Для достижения высокого структурного и оптического качества слоев GaAs, окружающих массив КТ, рост этих областей проводился при температуре 600°С. Активная область помещалась в середину волноводного слоя GaAs, толщина волноводного слоя 0,43 мкм.
10
10
В соответствии с заявляемым изобретением были изготовлены двухсекционные лазеры, параметры которых приведены в таблице на фиг.9. При изготовлении экспериментальных образцов (см. фиг.5 и 6) использовались ионы Аr с энергией 6 МэВ и дозой 5·10, что привело к увеличению сопротивления с 3 до 120 кОм. При толщине закрывающего фоторезиста 22 в 6 мкм возможно использовать ионы Аr с энергией 2-8 МэВ. При большей энергии необходимо использовать более толстый слой фоторезиста. Дозу целесообразно выбирать в диапазоне (0,5-1,0)·10 при ширине зазора 20 мкм, поскольку это обеспечивает изоляцию более 100 кОм, достаточную для практических приложений. Выбор ионов Аr был обусловлен их доступностью у заявителя, при использовании другого типа ионов необходимо учитывать глубину их проникновения в фоторезисте и GaAs. Общая длина лазера L составляла 1 мм, длина La поглощающей секции составляла 0,1, 0,2 и 0,3 мм, величина зазора G, изолирующего секции, равнялась 20 мкм. Ширина W полоска составляла 6 мкм. Лазеры обеспечивали генерацию только основной пространственной моды на длине волны излучения 1,27 мкм. На одно зеркало наносилось отражающее покрытие с коэффициентом отражения 93%, поэтому основная часть мощности излучалась через второе зеркало. Лазеры напаивались на медный теплоотвод, измерения проводились при температуре 25°С. Зависимость выходной мощности от тока через поглощающую секцию длиной 0,4 мм представлена на фиг.7 (график 1) при токе через усиливающую секцию длиной 0,6 мм 40 мА. Дифференциальная эффективность меняется от 1,9 мВт/мА при 0 мА до 1,1 мВт/мА при 4 мА, в средней части она составила 1,65 при токе 2 мА. У односекционного лазера такой же общей длины и конфигурации эффективность составляет 0.48 мВт/мА (см. фиг.7). Эффект высокой дифференциальной эффективности сохраняется при накачке высокочастотным током, что экспериментально тестировалось на частотах до 1 ГГц (полоса пропускания используемого теплоотвода), и ВЧ-отклик двухсекционного лазера был более чем в 3 раза больше, чем у лазера с одной секцией, и такого же уровня, как и у лазера-прототипа. Заявляемый двухсекционный лазер в отличие от известной конструкции требует очень малого смещения модулируемой поглощающей секции по постоянному току. Из фиг.7 видно, что уже при токе 0,1 мА начинается лазерная генерация и при токе 2 мА выходная мощность составляет около 10 мВт. Для современных коммерческих лазеров обычно требуется смещение 30-50 мА, чтобы обеспечить такую выходную мощность. При этом для смещения чаще всего используется резистор, развязывающий постоянный ток от ВЧ-сигнала, поскольку это - простое, надежное и широкополосное средство. На этом резисторе происходят джоулевы потери, пропорциональные квадрату тока и снижающие КПД системы. В двухсекционной конструкции смещение лазера выше порога обеспечивается током через усиливающую секцию, которая изолирована от модулируемой секции зазором в электрическом контакте, имеющем большое сопротивление. Резистор смещения и джоулевы потери на нем могут быть сколь угодно малыми, поэтому КПД системы на основе заявляемого устройства будет выше, чем у известной конструкции. Двухсекционные лазеры с КТ в непрерывном режиме демонстрируют бистабильный режим работы, при котором в зависимости выходной мощности от тока присутствует петля гистерезиса (фиг.8). В радиоэлектронных схемах аналогом такого элемента является триггер Шмидта, применяемый для уменьшения влияния аналоговых шумов в цифровых схемах. Аналогично триггерам Шмидта в радиоэлектронике бистабильный режим работы двухсекционного лазера с КТ можно использовать в оптоэлектронных схемах в случае присутствия шумов в управляющем токе с целью их исключения. Исследовались лазеры на КТ, излучающие в диапазоне 1,3 мкм, в котором работают многие системы ВОЛС. Также исследовались двухсекционные лазеры, излучающие около 1,06 мкм - на этой длине волны в практических приложениях необходимы импульсные задающие излучатели для твердотельных усилителей. При этом получились схожие результаты, но число слоев КТ было 5, т.к. оптическое усиление при комнатной температуре КТ этого спектрального диапазона больше, чем у КТ диапазона 1,3 мкм.
По сравнению с прототипом заявляемый лазер имеет меньшую в 4 раза пороговую плотность тока; меньший нагрев активной области вследствие меньшей рабочей плотности тока; в 2 раза большую выходную мощность; лучшую температурную стабильность вследствие использования КТ; длину волны излучения 1,3 мкм, широко используемую в ВОЛС.