Диссертация (Суперлюминесцентные диоды и полупроводниковый оптический усилитель повышенной мощности и широкополосности и приборы на их основе)

ОАО НИИ «Полюс» им. М. Ф. СтельмахаИльченко Степан НиколаевичСуперлюминесцентные диоды и полупроводниковый оптический усилительповышенной мощности и широкополосности и приборы на их основе.05.27.03 – Квантовая электроникаДиссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,профессорЯкубович Сергей ДмитриевичМОСКВА 2014 г.2ОглавлениеВведение ..........................................................................................................................

3Глава 1. Новые СЛД повышенной мощности и широкополосности ............... 35Введение ..................................................................................................................... 351.1 СЛД повышенной мощности и надёжности с центральной длинойволны излучения 670 нм. ..........................................................................................

361.2 Широкополосные СЛД диапазона 800 – 900 нм с колоколообразнойформой спектра .......................................................................................................... 431.3 СЛД ближайшего ИК-диапазона с двугорбой формой спектрашириной до 100нм. ....................................................................................................

581.4 Пространственно - одномодовые СЛД с центральными длинами волн790 нм, 840 нм, 960 нм, 1060 нм с непрерывной выходной оптическоймощности до 100 мВт ................................................................................................ 65Глава 2 Новые комбинированные источники сверхширокополосногоизлучения «ближайшего» ИК – диапазона спектра но основеразработанных СЛД.................................................................................................... 75Введение.

.................................................................................................................... 752.1 Комбинированные источники света с колоколообразной формойспектра BroadLighter-860-G. ..................................................................................... 802.2 BroadLighter-880-MP ........................................................................................... 84Глава 3.

Широкополосный ПОУ-модуль с центральной длиной волны1060 нм и быстроперестраиваемый лазер на его основе ..................................... 923.1 Оптико-физические характеристики ПОУ бегущей волны на основенаногетероструктуры с активными слоями состава In0.35Ga0.65As ........................ 923.2 Быстроперестраиваемый лазер на основе разработанного ПОУ иакустооптического фильтра во внешнем кольцевом оптоволокномрезонаторе.................................................................................................................

103Приложение ................................................................................................................ 109П.1 Спецификации на приборы, разработанные в рамках даннойдиссертационной работы. ....................................................................................... 109П.2 СЛД – модули с центральной длиной волны 1300 нм, работоспособныепри температуре окружающей среды от –55 оС до +125 оС................................. 117Заключение................................................................................................................. 121Сокращения и условные обозначения ..................................................................

124Обозначения переменных........................................................................................ 125Литература.................................................................................................................. 1263ВведениеИстория создания и развития полупроводникового инжекционного лазераберет свое начало в 1962 году через несколько лет после первой демонстрациигенерации когерентных электромагнитных колебаний в оптическом диапазоне,что явилось началом развития квантовой электроники. Генерация света,вызванная инжекцией тока высокой плотности через p-n переход GaAs, былавпервые продемонстрирована в нескольких разных научно-исследовательскихцентрах практически в одно и тоже время, но потребовалось почти 18 лет преждечем началось массовое производство полупроводниковых лазеров (ПЛ), какдешевых и компактных приборов.Характеристики ПЛ постоянно совершенствуются.

Основными вехамиистории их развития являются: создание первых лазерных диодов (ЛД) на основеp-n перехода в монокристалле GaAs (гомолазеров), создание ЛД на основе«объемных» гетероструктур и получение непрерывной генерации при комнатнойтемпературе,созданиеПЛнаосновеслоистыхквантоворазмерныхгетероструктур и значительное снижение пороговых плотностей тока инжекции,разработка ЛД с активными слоями на основе структур с квантовыми нитями иквантовыми точками, обеспечивающая дальнейшее снижение порога генерации,создание ПЛ с вертикальным резонатором (VCSEL).Первый этап развития, связанный с выдвижением множества блестящихинженерно-физическихидей[1,2],былознаменованизобретениемполупроводникового инжекционного лазера [3,4,5,6]. В принципе переход отсветоизлучающего диода к ПЛ достаточно понятен и прост.

Для получениялазерной генерации необходимо наличие инверсии населенностей и оптическойобратной связи, т. е. резонатора Фабри-Перо. Инверсия населенностей в лазерномдиоде (ЛД) может быть достигнута путем сильного легирования p- и n- областей(имеется в виду гомолазер) и инжекцией высокой плотности электронов и дырок вобласть перехода, возникающей при прямом смещении диода. РезонаторомФабри-Перо могут служить грани самого полупроводникового монокристалла,4сколотого по кристаллографическим плоскостям спайности.

В этом заключалсяосновной подход, взятый на вооружение создателями ЛД.Первые полупроводниковые гомолазеры требовали фантастически высокихплотностей тока инжекции для достижения порога лазерной генерации и, такимобразом, они могли работать только в импульсном режиме во избежаниекатастрофического разрушения, вызванного тепловым разогревом. Криогенноеохлаждение и эффективный тепловой контакт с кристаллом лазера былиобязательными атрибутами техники гомолазеров, вплоть до 1970 года, когда былаполучена первая генерация света в непрерывном режиме работы лазера прикомнатной температуре.

Это стало возможным благодаря разработке технологиигетероэпитаксиальных полупроводниковых структур [7,8,9,10]. С появлением ПЛна гетероструктурах (гетеролазеров) начался второй этап в развитии этихисточников света, характеризующийся резким повышением эксплуатационнойэффективности этих приборов и расширением сферы их применений. ОсновноеотличиеЛДсдвустороннейгетероструктурой(ДГС)отегопредшественника - гомолазера заключается в том, что тонкий активный слой сузкой запрещенной зоной располагался между двумя покровными слоями с болееширокой запрещенной зоной.

Таким образом, появилась возможность ограничитьдиффузиюносителейзарядаилокализоватьихвтонкомузкозонномусиливающем слое. Наличие градиента показателя преломления в направлении,перпендикулярномплоскостиэлектронно-дырочногоперехода,позволилоудерживать свет в центральном слое такой структуры, как в оптическомволноводе. В отличие от гомолазеров, в которых относительно слабо выраженныйволноводныйэффектопределяетсяпространственнымраспределениемлегирующих примесей и градиентом концентраций инжектируемых носителейзаряда, в гетеролазерах волноводные характеристики можно варьировать вшироких пределах при изменении толщин и состава слоев полупроводниковыхгетероструктур. Стремление к наилучшему решению проблемы стимулировалодальнейшее развитие технологии производства ПЛ и привело к появлению таких5приборов, как лазер на основе заращенной мезаполосковой структуры, лазерзаращенного типа с канавкой в подложке, лазер с гребневидным волноводом и др.[11].Результатытеоретическихиэкспериментальныхисследованийгетеролазеров с "объемным" активным слоем (в том числе, результатыисследований их спектральных и динамических характеристик излучения)представлены в огромном числе научных публикаций как в нашей стране, так и зарубежом.

Среди этого огромного многообразия работ следует выделитьследующие монографии и обзорные работы [12,13,14,15,16,17].Благодаря наличию электронного ограничения в ДГС, лазеры с такойконструкцией стали прямыми предшественниками структур с квантовыми ямами(КЯ), в которых средний узкозонный слой имеет толщину порядка единицнанометров, что приводит к расщеплению электронных уровней вследствиеэффектовразмерногоквантования.Однаколишьсразвитиемметодаэпитаксиального роста с прецизионным контролем толщины, состава и т.д. (методмолекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) [18,19] и газофазной эпитаксии из паровметаллоорганических соединений (МОС ГФЭ) [20] ) стала возможна реализациякачественных ДГС со сверхтонкими слоями. Первые результаты проявленияэффекта размерного квантования в оптическом спектре гетероструктуры сосверхтонким слоем была продемонстрирована в 1974 году [21].

В 80-е годы успехгетероструктур с квантовыми ямами (КЯ) привлёк много учёных, и былиисследованы системы с ещё меньшей размерностью – квантовые нити (КН) иквантовые точки (КТ). В квантовых нитях носители заряда ограничены в двухнаправлениях, в КТ – «искусственных атомах», носители ограничены уже во всехтрёх направлениях и обладают полностью дискретным энергетическим спектром.Первые успешные результаты создания лазеров на КН описаны в работе [22], асоздание первых лазеров на КТ описаны в работах [23,24,25].Вскоре после создания ПЛ началось исследование "безрезонаторных" ЛД,привлекавших к себе внимание в качестве квантовых усилителей бегущей волны6[26].