Краткое пособие по курсу лекций «Полупроводниковые лазеры»

Курс: «Полупроводниковые лазеры»

Кафедра: Лазерных систем

БГТУ «ВОЕНМЕХ»

Лектор: Тарасов Илья Сергеевич,

профессор, заведующий лабораторией «Полупроводниковой люминесценции и инжекционных излучателей»

ФТИ им. А.Ф. Иоффе.

ЧАСТЬ ВТОРАЯ

Санкт-Петербург

2011 г.

Литература для самостоятельного углубленного изучения материала по курсу «Полупроводниковые лазеры»

1. Х. Кейси и М. Паниш, «Лазеры на гетероструктурах», под редакцией П.Г. Елисеева, Москва, «Мир»,1981.

2. H. C. Casey, M.B. Panish,“Heterostructure Lasers” Academic press, INC. 1978.

3. А.Е. Жуков, «Лазеры на основе полупроводниковых наноструктур», Санкт-Петербург, «Элром», 2007.

4. П.Г. Елисеев «Введение в физику полупроводниковых лазеров» Москва, «Наука», 1983.

5. Govind P. Agraval, Nikloy K. Dutta “Semiconductor lasers” Second edition, Van Nostrand Reinchold, 1993.

6. Robert G. Hunsperger “Integrated Optics: Theory and aaatechnology” Springer-Verlag, 1984.

7. Р. Хансперджер «Интегральная оптика (Теория и технология)» под редакцией В.А. Сычугова, Москва, «Мир».

8. W. Tsang, “Semiconductors and semimetals”, Volume 22, Lightwave Communications Technology, Academic press, INC. 1985.

9. У. Тсанг (под редакцией) «Полупроводниковые инжекционные лазеры. Динамика, Модуляция, Спектры», Москва, «Радио и связь», 1990.

10. Х. Такума, «Физика полупроводниковых лазеров» Москва, «Мир».

Лекция 9. Пороговая плотность тока в полупроводниковых лазерах.

9.1.Фактор оптического ограничения.

Фактор оптического ограничения (Г) – это доля электромагнитного излучения, распространяющаяся по активной области лазерной структуры (впоследствии определение фактора оптического ограничения было перенесено на долю излучения, распространяющуюся по одному из слоев лазерной структуры). Например: фактор оптического ограничения для волноводного слоя, фактор оптического ограничения для эмиттерных слоев и т.д.

(59)

act – в данном случае обозначает активная область, интеграл взят по объему активной области полупроводникового лазера.

Рис. 78. Зависимость фактора оптического ограничения для ДГС от толщины активной области (d) и для различных составов волноводных слоев (x).

Характерной особенностью зависимости является резкий излом в области толщин волновода 0.3 мкм, когда излучение, распространяющееся по волноводу активной области, начинает не помещаться в нем.

Рис. 79. Картина распределения интенсивности электромагнитного поля на зеркале резонатора Фабри-Перо полупроводникового лазера на основе двойной гетероструктуры Al_xGa_1-xAs / GaAs / Al_yGa_1-yAs в зависимости от величины доли Al в твердом растворе эмиттера справа на рисунке. Уменьшение у приводит к росту показателя преломления и проникновению излучения в эмиттер.

Усиление излучения происходит только в активной области или в слое, для которого выполнено условие инверсной заселенности, поэтому пороговая плотность тока должна возрастать с уменьшением у.

9.2.Пороговая плотность тока.

В двойной гетероструктуре ток протекающий через активную область полупроводникового лазера равен произведению объема активной области на скорость рекомбинации и заряд носителя тока.

(60)

Для достижения порогового значения тока необходимо учитывать три механизма рекомбинации:

1. Мономолекулярную рекомбинацию через локальные центры безизлучательной рекомбинации, скорость которой принято обозначать следующим образом:

R _mono=A_n (60)

2. Излучательную рекомбинацию, скорость которой принято обозначать следующим образом:

R _sp= B n ² (61)

3. Безизлучательную Оже-рекомбинацию, скорость которой принято обозначать следующим образом:

R _Auger = Cn³ (62)

Cкорость рекомбинации в активной области полупроводникового лазера будет складываться из трех составляющих:

R= R_mono + R_sp + R_Auger (63)

Ток через активную область полупроводникового лазера принимает следующий вид:

(64)

Рис. 80. Схематическое изображение токовых составляющих в полупроводниковом лазере. Здесь учтены токовые утечки в лазерной структуре, токовые утечки из активной области, канал безизлучательной рекомбинации (мономолекулярная, Оже и др.) и спонтанной рекомбинации.

Рис.81. С увеличением тока накачки достигается пороговая концентрация в активной области. Пороговая плотность тока достигается, когда будут насыщены все каналы: токовые утечки, безизлучательной рекомбинации, внутренние потери и внешние оптические потери.

На первом этапе происходит просветление полупроводникового материала активной области, а затем за счет усиления достигается компенсация всех потерь внутренних и внешних потерь.

Необходимо учесть, что усиление происходит только в области с инверсной заселенностью и требуется учесть фактор оптического ограничения:

Г g= α_i+ 1/2L lg (1/ R₁ R₂) (65)

Г-фактор оптического ограничения электромагнитной волны в активной области;

α_i – внутренние оптические потери в активной области;

L – длина резонатора Фабри – Перо;

R1 и R2 – коэффициент отражения зеркал резонатора Фабри Перо.

Второе слагаемое в выражении (65) это полезные потери на выход.

Рис.82. Иллюстрация процесса компенсации поглощения в волноводе полупроводникового лазера и достижения необходимого усиления для компенсации всех потерь в лазере.

Рис. 83. Зависимости концентрации носителей заряда в активной области(N), усиления (G ) и оптической излучаемой мощности(S).

В момент выполнения пороговых условий происходит смена спонтанной излучательной рекомбинации со временами жизни носителей заряда 1-5 нс на стимулированную излучательную рекомбинацию со временами жизни носителей заряда порядка 1-5 пс. Поэтому в полупроводниковом лазере дифференциальная эффективность за порогом генерации может достигать величины близкой к 100%.

Величина тока накачки и концентрация носителей заряда, соответствующие этому переходу называются пороговыми.

9.3.Пороговая плотность тока в двойной гетероструктуре (дгс).

С уменьшением толщины активной области и волновода (в ДГС это одно и тоже) усиление падает, и потери растут. Внутренние оптические потери в сильнолегированных эмиттерах растут значительно при проникновении в них электромагнитного излучения.

Другими словами фактор оптического ограничения (Г_а) для активной области падает в результате пороговый ток и пороговая концентрация растут.

Рис 84. Иллюстрация процесса резкого снижения фактора оптического ограничения в зависимости от толщины активной области (волновода). Серым цветом обозначена толщина активной области.

Пороговая плотность тока в ДГС начинает расти с уменьшением толщины активной области. Это происходит в результате увеличения фактора оптического ограничения для сильнолегированных эмиттерных слоев. В которых внутренние оптические потери велики из-за высокого уровня легирования р - и п - эмиттера.

Рис.85 Зависимость пороговой плотности тока от толщины активной области в ДГС.

При уменьшении толщины активной области менее 0.3 мкм наблюдается возрастание пороговой плотности тока поскольку начинает снижаться фактор оптического и внутренние оптические потери растут.

9.4.Пороговая плотность тока в двойной гетероструктуре раздельного ограничения (ро дгс).

Двойная гетероструктура раздельного ограничения (РО ДГС) это лазерная гетероструктура с раздельным ограничением для носителей заряда (тонкая активная область) и фотонов (толстый волновод). Ниже приведено схематическое изображение двойной гетероструктуры раздельного ограничения. Раздельное ограничение позволяет быстрее достигать значение порогового тока, поскольку в тонкой активной области быстрее достигается пороговая концентрация носителей заряда.

Рис. 86. Схематическое изображение РО ДГС, зависимости показателя преломления слоев РО ДГС и интенсивности электромагнитного излучения от координаты перпендикулярной эпитаксиальным слоям.

Рис. 87. Схематическое изображение реальной энергетической диаграммы двойной гетероструктуры раздельного ограничения с размерами толщин эпитаксиальных слоев активной области и волновода. Узкозонная активная область (малая ширина запрещенной зоны активной области) помещена в широкозонный (с большей шириной запрещенной зоны) волноводный слой.

Рис.88. Зависимость пороговой плотности тока от толщины активной области при сохранении постоянной толщины волновода для ДГС и РО ДГС.

В результате использования не легированных волноводных слоев, излучение ограниченное широкозонным волноводом не поместившееся в тонкой активной области имеет низкие внутренние оптические потери и как следствие наблюдается снижение пороговой плотности тока при малых значениях толщины активной области.

Изменяя число квантовых ям в активной области можно влиять на усиление в полупроводниковом лазере – увеличивать его пропорционально числу активных областей. Увеличение усиления позволяет достигать пороговые концентрации в коротких полупроводниковых лазерах с коротким резонатором, а значит достигать минимальных значений абсолютного порогового тока.

Рис. 89. Зависимость усиления от числа квантовых ям в активной области РО ДГС и пороговой плотности тока.

Минимальное значение пороговой плотности тока достигается в коротком лазере с максимальным числом квантовых ям. Однако абсолютное значение порогового тока снижается на единицы процентов, но главным является снижение пороговой концентрации носителей заряда в одной квантовой яме.

Рис. 90. Зависимость порогового тока от длины резонатора Фабри – Перо и числа квантовых ям в активной области.

Рис. 91. Зависимость пороговой плотности тока от длины резонатора Фабри - Перо и числа квантовых ям в активной области.

При длине резонатора порядка 0,3 мм пороговая концентрация носителей заряда в одной квантовой яме, в структуре с тремя квантовыми ямами в три раза ниже, чем в структуре с одной квантовой яме. Это свойство широко используется для изменения основных характеристик полупроводниковых лазеров.