Усилительные и оптические свойства полупроводникового лазерного диода на основе упругонапряженных квантовых ям InGaAs/InGaAlAs, излучающих вблизи 1550 нм

В работе представлены результаты экспериментального исследования усилительных свойств упругонапряженных квантовых ям InGaAs/InGaAlAs толщиной 3.2 нм, излучающих в ближнем инфракрасном спектральном диапазоне вблизи 1550 нм. Результаты исследования пороговых и усилительных характеристик полосковых лазерных диодов с активными областями на основе «тонких» квантовых ям со степенью рассогласования параметра кристаллической решетки с материалом подложки +1.0 % показали, что исследуемые квантовые ямы демонстрируют высокое значение коэффициента модового усиления и низкое значение плотности тока прозрачности на одну квантовую яму

Цель проекта - выбрать материалы и композицию лазерной гетероструктуры, излучающей на длине волны 1550 нм, для последующего создания лазеров с пассивной синхронизацией мод.
Задачи проекта: определить напряжение несоответствия между кристаллическими решетками квантовой ямы и подложки, необходимое для устойчивой лазерной генерации; определить необходимое число квантовых ям исходя из данных по оптическому усилению и потерям; определить длину резонатора полоскового лазера; определить пороговую плотность тока.

В оптических аналого-цифровых преобразователях требуется  источник световых импульсов, стабильный пр амплитуды и частоте повторения. Полупроводниковые лазеры с пассивной синхронизацией мод отвечают этим требованиям и позволяют получать оптические импульсы с частотами повторения от 5 до 250 ГГц. Первым шагом для создания лазера с пассивной синхронизацией мод является создание активной области полупроводникового лазера полосковой конструкции, излучающего на длине волны 1550 нм [1-4]. Считается, что быстродействие лазерных диодов напрямую связано с величиной дифференциального усиления квантовой ямы, которое можно изменять путем увеличения или уменьшения параметра несоответсвия решеток в упругонапряженных гетероструктурах [5,6].

Методом молекулярно-пучковой эпитаксии на промышленной установке Riber MBE49 был выращен набор гетероструктур на подложках из InP (100) с несоответствием кристаллических решеток +1,0% (С1), +1,3%(С2), +1,6%(С3) и +2,0%(С4 и С5) и толщиной 3,2, 2,7, 2,5, и 1,9 нм соответственно. Методом фотолюминесценции (ФЛ) при плотности мощности возбуждающего лазера 58 и 580 Вт/см² были измерены максимум и ширина спектра для каждого образца.

Для исследования характеристик оптического усиления созданных активных областей были изготовлены две лазерные гетероструктуры, содержащие 5 (структура 1) и 8 (структура 2) квантовых ям (КЯ) In_0,67Ga_0,33As, разделенных барьерами In_0,53Al_0,20Ga_0,27As с параметром несоответствия 1%. Ширина волновода составляла 0,6 мкм, области толщиной 0,1 мкм, прилегающие к эмиттерным слоям, были легированы до уровня 10¹⁸ для сглаживания эффекта границы гетероперехода. Эмиттеры InAlAs, согласованные по параметру решётки с InP, толщиной 2 мкм (p-эмиттер) и 1 мкм (n-эмиттер) легировались С и Si для достижения концентрации носитилей заряда на уровне 3∙10¹⁸ см^-3. Из гетероструктур были изготовлены лазерные диоды полосковой конструкции с шириной полоска 60 мкм в геометрии мелкой мезы с различной длиной резонатора. Зеркала резонатора были получены скалыванием. Образцы крепились на медный теплоотвод эпитаксиальными слоями вниз. Приборные характеристики исследовались в при комнатной температуре и при возбуждении импульсами тока длительностью 300 нс частотой 1 кГц.

На рисунке 1 представлены спектры фотолюминесценции (ФЛ) для образцов С1-С5. Ширина пиков ФЛ на полувысоте имеет тенденцию к увеличению по мере увеличения параметра несоответствия, что может быть объяснено развитием морфологии поверхности и/или возникновением в квантовых ямаъ самоорганизующихся областей, обогащенных индием. Полуширина пика ФЛ при плотности мощности возбуждающего лазера 5.8 Вт/см² составила 25, 31, 43 и 50 мэВ для образцов C1, C2, C3 и C5, соответственно. В спектре ФЛ образца C3 наблюдается низкоэнергетическая затяжка, которая в образце C4 трансформируется в дополнительный отдельный длинноволновый пик. Обнаруженные особенности, по предположению, связаны с приближением для образца С3 (5 КЯ, +1,6%) и превышением в образце С4 (5 КЯ, +2,0%) критической величины упругого напряжения и резким усилением эффекта возникновения в слоях КЯ самоорганизующихся областей, обогащенных индием, особенно для случая, когда несоответствие составляет +2,0%.

Рисунок 1 - Спектры фотолюминесценции гетероструктур С1–С5 при плотности мощности излучения 580 Вт/см² (a) и 58  Вт/см² (b)

На рис. 2 представлена зависимость пороговой плотности тока и длины волны лазерной генерации от длины резонатора для лазеров с 5 и 8 КЯ. Пороговая генерация наблюдалась для всех полосков с различными длинами резонатора в диапазоне 0.25-2.00 мм. Лазеры излучали когерентное излучение в диапазоне 1.56-1.60 мкм. Минимальные значения пороговой плотности тока 1650-1660 A/см² закономерно были продемонстрировано наиболее длинными лазерами, с длиной резонатора 2.0 мм, для обеих исследованных гетероструктур.

Рисунок 2 - Зависимость пороговой плотности тока и длины волны лазерной генерации от длины резонатора для Структуры 1 (а) и Cтруктуры 2 (b).

Характерные спектры многомодовой генерации приведены на рис. 3a. На рис. 3b представлены зависимости обратной внешней дифференциальной квантовой эффективности от длины резонатора для лазеров, изготовленных из обеих гетероструктур.

 

Рисунок 3 - Характерные спектры многомодовой генерации для лазерных структур (a) и зависимость обратной внешней дифференциальной квантовой эффективности от длины резонатора (b).

Зависимости величины усиления от плотности тока накачки в лазерных диодах с 5 и 8 КЯ в полулогарифмических координатах приведены на рис. 4. Исследуемые приборы продемонстрировали высокие значения порогового усиления вплоть до значения 175 см^-1.

Рисунок 4 - Зависимость величины усиления от плотности тока накачки в структурах

Результаты исследованиях пороговых и усилительных характеристик показали, что исследуемые КЯ продемонстрировали достаточно высокое значение коэффициента модового усиления – 11 см^-1 и достаточно низкое значение плотности тока прозрачности – 46 А/см² на одну КЯ.

Благодарим за поддержку Министерство образования и науки РФ, соглашение № 14.581.21.0013 от 4 августа 2015 г., уникальный идентификатор RFMEFI58115X0013

[1]. G. E. Keiser, Opt. Fiber Technol. 5, 3 (1999).
[2] H. Temkin, T. Tanbun-Ek, and R. A. Logan, Appl. Phys. Lett. 56, 1210 (1990).
[3] G. Liu and S. L. Chuang, IEEE J. Quantum Electron. 37, 1283 (2001).
[4] P. J. A. Thijs, L. F. Dongen, P. I. Tiemeijer, J. J. Kuindersma, M. Binsma, and T. Van Dongen, IEEE J. Quantum Electron. 27, 1426 (1991).
[5] I. Suemune, IEEE J. Quantum Electron. 27, 1149 (1991).
[6] Z. C. Vahala K. J., Appl. Phys. Lett. 59, 3230 (1991).

The paper presents results of experimental research of the optical gain of elastically strained InGaAs/InGaAlAs quantum wells 3.2 nm thick emitting in near-infrared spectral range around 1550 nm. The research results of threshold and gain characteristics of the stripe laser diodes with active regions based on the «thin» quantum wells with mismatch parameter between lattice of the substrate and lattice of the quantum well about +1.0 % showed that the developed quantum wells demonstrate the high modal gain of and a low transparency current density of per one quantum well.