Диссертация (1149847), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Генерацию причрезвычайно низких пороговых токах накачки удалось получить в работе [88].Ширина полосы модуляции в лазерах на квантовых точках достигаетзначения 60 ГГц [84]. Данная ширина увеличивается с ростом числа слоевквантовых точек в гетероструктуре и плотности распределения последних вотдельном слое.
Однако по мере увеличения числа квантовых точек в материалерастет и дисперсия их размеров по ансамблю, что приводит к увеличениюнеоднородного уширения и ограничивает максимально возможную ширинуполосы модуляции указанным выше значением.Рядэкспериментальныхработпосвященизмерениювеличиныα-фактора [89-94]. Значение последнего определялось по величине усиленияспонтанного излучения, слабого сигнала или ширине линии излучения. При этомизмеренные значения указанного фактора колебались в чрезвычайно широкомдиапазон от 0 до 60. Несмотря на столь широкий разброс значений, во всехэкспериментальный исследованиях наблюдался рост величины α-фактора сростом плотности тока накачки.Всилудискретностиэнергетическогоспектраквантовыхточектеоретическое значение α-фактора в рассматриваемых лазерах близко к нулю.
Вдействительности, вследствие дисперсии размера и формы квантовых точек поансамблю, а также отсутствия полной изоляции носителей в них, величинаα-фактора может быть значительной. Кроме того, указанная дисперсия являетсяпричиной неоднородного уширения спектра усиления.Влияние флуктуаций геометрических параметров квантовых точек навеличину α-фактора рассматривается в работе [92]. Стоить отметить, чточрезвычайно низкое значение α-фактора было получено для полупроводникового36материала на квантовых проволоках с сильным неоднородным уширением (около100 нм) [95].Использование лазеров на квантовых точках в приложениях началосьбуквально в последние несколько лет.
Для систем оптической связи всегда быливостребованыкомпактныедешевыелазерныеисточникиснизкимэнергопотреблением и низкой чувствительностью к температуре. Лазеры наквантовых точках в значительной степени отвечают этим требованиям. Ихиспользование позволяет упростить схемы управления оптоэлектроннымиустройствами, снизить затраты на установку и настройку лазерных модулей,повысить эффективность энергопотребления [96].Крайне востребованным на сегодняшний день является обеспечениеполностью оптической передачи данных между различными узлами современныхкомпьютеров [97-99].
Необходимость этого вызвана в первую очередь тем, чтопотребности в скорости обмена данными между памятью и процессором в скоромбудущем превысят физические возможности медных проводников, из которыхсостоят современные шины передачи данных. Фактически уже сейчас основнымфакторомограничивающимпроизводительностьвычислительныхсистемявляется скорость обмена данными между различными узлами.Благодаря низкой чувствительности к температуре лазеры на квантовыхточках рассматриваются как перспективные источники излучения в системах наоснове кремниевой фотоники, призванных обеспечить указанную оптическуюпередачу данных.Такжеблагодарясвоейвозможностигенерироватьизлучениепритемпературах до 100 0С лазеры на квантовых точках могут применяться всистемах позиционирования, наведения и мониторинга окружающей среды вусловиях агрессивной внешней среды. При этом их применение заметно снизитьстоимость указанных систем.Важнейшей отличительной особенностью лазеров на квантовых точкахявляется возможность генерации излучения из двух различных энергетическихсостояний, получивших названия основного и первого возбужденного состояний37[100, 101].
Режим одновременной генерации излучения как из основного, так и извозбужденного состояния будем называть далее режимом симультаннойгенерации.Симультаннаягенерацияпозволяетулучшитьэнергетическиехарактеристики лазерного излучения. Так, мощность излучения лазеров наквантовых точках, работающих в указанном режиме, превосходит мощностьизлучения лазеров на квантовых ямах. Это особенно важно для медицинскихприложений и в технологиях, связанных с обработкой материалов.В ряде биомедицинских применений лазеры на квантовых точках способныв перспективе заменить громоздкие и дорогостоящие твердотельные лазеры.Отдельно стоить отметить перспективы применения данных лазеров в такихобластях современной медицины как лазерная микрохирургия и многофотоннаяспектроскопия [102-104].Длялазернойхирургииособенноважнавозможностьгенерациисверхкоротких импульсов с высокой пиковой мощностью для обеспечениявозможности нелинейного поглощения в биологических тканях.
В настоящеевремя традиционные полупроводниковые лазеры могут удовлетворить лишьминимальным требованиям, предъявляемым к мощности лазерного импульса вданной области [105].В режиме синхронизации мод при наличии симультанной генерации влазере на квантовых точках удается получить ультракороткие импульсы с низкимуровнем шума [106]. Кроме того, лазеры на квантовых точках позволяютдинамически изменять режим генерации. Таким образом, на одном устройствеможет быть последовательно получена как симультанная генерация, так игенерация только из основного или возбужденного состояния. Это позволяетувеличить спектральный диапазон данных лазеров и, как следствие, область ихприменения.Ключевымипараметрами,определяющимиэнергетическийуровеньрекомбинации носителей приводящей к лазерной генерации, являются токнакачки и температура среды.
Процессы, приводящие к генерации излучения38заключаются в следующем. Носители захватываются квантовыми точками изокружающегополупроводниковогоматериала.Этоприводиткростунаселенности на основном энергетическом уровне квантовых точек. При низкихзначениятоканакачкиполногозаполненияносителямиосновногоэнергетического уровня не происходит, и рекомбинация электронно-дырочныхпар на последнем приводит к генерации только из основного состояния.Приувеличениитоканакачкипроисходитзаполнениеосновногоэнергетического уровня и рост населённости возбужденного энергетическогоуровня с последующей рекомбинацией носителей на обоих уровнях, чтообуславливает симультанную генерацию.
Дальнейшее увеличение тока накачкиприводит к тому, что вследствие относительно низкой скорости релаксацииносителей в основное состояние, рекомбинация электронно-дырочных парпроисходит только на возбужденном энергетическом уровне, что приводит кгенерации только из указанного уровня [100, 101, 107].В работе [100] было показано, что на симультанную генерацию сильноевлияние оказывает длина резонатора (активной среды). Симультанная генерациявозможна лишь при определенных значениях указанной величины. Данноеобстоятельство объясняется тем, что коэффициент усиления для различных длинволн характеризуется сильной зависимостью от длины резонатора.Теоретическое исследование перехода от симультанной генерации кгенерации только из возбужденного состояния, основанное на анализе балансныхуравнений, было проведено в работе [101]. Было показано, что рассматриваемыйпереход обусловлен перераспределением носителей по энергетическим уровням впроцессе лазерной генерации.
Кроме того, результаты численного моделированиятемпературной зависимости порога симультанной генерации, проведенного вданной работе, согласуются с экспериментальными данными.Влияние температуры на усиление в лазере на основе InAs/GaAsгетероструктуры исследовано в работе [107]. Было показано, что легированиеполупроводника бором позволяет получить генерацию из основного состоянияпри малых длинах резонатора и высоких температурах, благодаря снижению39влияния эффекта насыщения усиления. Однако вследствие высокой дисперсииплотности носителей по ансамблю квантовых точек значение коэффициентаусиления для легированной гетероструктуры оказалось несколько ниже, чем вотсутствии легирующих добавок.Подводя итоги, следует подчеркнуть, что в реальности характеристикилазеров на квантовых точках существенно отличаются от теоретическипредсказанных.
Дело в том, что в первоначальных теоретических исследованиях,как правило, рассматривался ансамбль идентичных квантовых точек, каждая изкоторых представляла собой двухуровневую атомную систему с однимэнергетическим уровнем для электронов и одним для дырок. Кроме того,предполагалось, что потенциальный барьер, возникающий между квантовойточкой и окружающим материалом, непроницаем для носителей заряда, аскорость безызлучательных процессов пренебрежимо мала по сравнению соскоростью рекомбинации носителей.Дляреальныхквантовыхточекхарактерноналичиенесколькихэнергетических уровней как для электронов, так и для дырок, дисперсии поразмеру и форме, заметное влияние безызлучательных процессов на динамикуносителей.
Множество теоретических и экспериментальных исследованийподтвердилоналичиенесколькихэнергетическихуровнейкаквзонепроводимости, так и валентной зоне. Последнее является определяющим дляхарактеристик лазерной генерации. Наличие сразу нескольких энергетическихуровней приводит к усилению зависимости пороговой плотности тока накачки оттемпературы, ограничению ширины полосы модуляции и нарушению симметрииспектра коэффициента усиления, что отражается в увеличении значенияα-фактора [87, 108-112].Однако растущая потребность в лазерах на квантовых точках стимулируетмногочисленные исследования, связанные как с особенностями примененияданных лазеров в различных приложениях, так и с вопросами лазерной динамики.401.4 Выводы по главеВыполнен обзор литературы по тематике исследования.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
