Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование лазеров со связанными волноводами методом ближнепольной оптической микроскопии

Сведения об участнике
ФИО
Полубавкина Юлия Сергеевна
Вуз
Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего профессионального образования и науки Академический университет - научно-образовательный центр нанотехнологий Российской академии наук
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Физика и астрономия
Раздел области наук
Оптика, квантовая электроника
Тема
Исследование лазеров со связанными волноводами методом ближнепольной оптической микроскопии
Резюме
Изготовлены две лазерные структуры с широким волноводом. Вторая структура имеет дополнительно второй пассивный волновод резонансно связанный с основным широким волноводом. Исследован АСМ рельеф поверхности обоих структур, подтверждающий размеры и положение эпитаксиальных слоев. Исследован спектральный состав изготовленных лазеров. Исследованы распределения интенсивности ближнего поля обоих лазеров. Определен их модовый состав, из которого можно сделать вывод о том, что конструкция с двумя волноводами позволяет подавить моды высоких порядков, и что такой лазер работает в одномодовом режиме.
Ключевые слова
мощные инжекционные лазеры, широкий волновод, составные волноводы, резонансное связывание
Цели и задачи
Целью данной работы являлось исследование распределения интенсивности ближнего поля двух лазерных структур: 1) тестовой структуры, имеющей один широкий активный волновод и 2) структуры, имеющий составной волновод. Полученные в ходе исследования данные должны подтвердить идею о том, что благодаря конструкции со сложным волноводом происходит подавление мод высоких порядков, и такой лазер действительно работает в одномодовом режиме. Задачами данной научно-исследовательской работы являлось:
1) Создание двух лазерных структур (содержащей дополнительный узкий волновод и состоящий только из одного широкого волновода), включая эпитаксиальный синтез слоев структуры и формирование полосков на поверхности пластин с помощью фотолитографии и травления.
2) Исследование рельефа поверхности выходного зеркала полученных лазеров.
3) Исследование карт распределения интенсивности ближнего поля при различных токах накачки.
4) Анализ полученных данных и подведение результатов работы.
Введение

Многие применения мощных полупроводниковых лазеров требуют высокое качество луча. Одной из проблем является катастрофическое оптическое разрушение зеркал. Эффективным способом уменьшения оптической плотности мощности является увеличение размера волновода. Такое расширение однако, ограничено, переходом в пространственно –многомодовый режим генерации. В данной работе будет рассмотрен простой и эффективный способ подавления мод высоких порядков в широких волноводах, основанный на  структуре, содержащей связанные волноводы. Концепция использует эффект резонансного связывания между двумя параллельными волноводами, расположенными в непосредственной близости друг к другу, что позволяет получить одномодовый режим генерации.

Методы и материалы

Две лазерные структуры были выращены методом металлорганической газофазной эпитаксии (МОГФЭ) на n-легированной GaAs подложке ориентацией (100). Первая структура с одним широким волноводом шириной 2,5 микрона имеет активную область, состоящую из двух InGaAs квантовых ям с 24% содержанием индия. Волновод заключен между AlGaAs обкладками толщиной 1мкм каждый с 15% содержанием алюминия. Вторая структура помимо широкого воновода с активной областью имеет узкий пассивный волновод шириной 610нм, отстоящий от широкого на расстоянии 250нм. Обе пластины спроцессированы в гребешковые лазеры с шириной полоска 50 мкм и длиной 2мм с помощью методов фотолитографии и травления сквозь р-контакт и частично сквозь р-обкладку. Затем образцы были припаяны р-стороной к медным теплоотводам. В данной работе использовались различные конфигурации зондового микроскопа ИНТЕГРА Спектра от компании НТ-МДТ. Исследования рельефа поверхности производились по контактной и полуконтактной методикам АСМ. Для исследования поверхности методами ближнепольной оптической микроскопии обычный зондовый датчик заменялся на другой датчик, представляющий собой кантилевер с полой пирамидой, имеющий на конце апертуру примерно 100нм в диаметре. Таким образом, ближнепольное изображение формировалось одновременно с изображением рельефа поверхности. 

Описание и обсуждение результатов

Оба лазера (с одним и двумя волноводами) имеют похожие параметры, а именно плотность порогового тока ~330A/см2, внутреннюю квантовую эффективность 88% и внутренние потери 1,3 см-1 Максимумы интенсивности излучения наблюдаются при λ=1040нм. Были исследованы АСМ сканы рельефа поверхности зеркала одного и второго лазера. Было исследовано ближнее поле при различных токах накачки тестовой структуры с одним широким волноводом и структуры, содержащей два связанных волновода. Из изображений профиля распределения интенсивности лазерного излучения на поверхности зеркала тестовой структуры видно, что генерация происходит в многомодовом режиме. При токе 1А преобладает мода первого порядка, при увеличении тока накачки до 2-3А наблюдается наложение фундаментальной моды на моду первого порядка. Для лазера со связанными волноводами при любом токе накачки распределение интенсивности соответствует фундаментальной моде, что означает, что моды высоких порядков не участвуют в лазерной генерации. Для полноты картины были построены поперечные профили распределения интенсивности для разных токов накачки. Ширина моды на полувысоте соответствует ширине волновода и равна 2,5мкм. В результате исследования была подтверждена идея о подавлении мод высоких порядков в лазерах с широким волноводом благодаря эффекту резонансного связывания между двумя параллельными волноводами, расположенными в непосредственной близости друг к другу. Были синтезированы две эпитаксиальные лазерные структуры с одним и двумя волноводами. Были исследован рельеф поверхности зеркал обоих лазеров, подтверждающий структуру и размеры слоев изготовленных лазеров. Были исследованы распределения ближнего поля обоих лазеров. Из анализа полученных данных однозначно понятно, что лазеры, имеющие дополнительный узкий волновод, работают в одномодовом режиме.

Мощные полупроводниковые лазеры находят широкое применение в медицине, начиная от лазерной диагностики и заканчивая лазерной хирургией и деструкцией биотканей. Полупроводниковые лазеры благодаря компактности и простоте устройства составляют хорошую конкуренцию другим типам лазеров.

Также мощные полупроводниковые лазеры используются для накачки твердотельных и волоконных лазеров. Они используются в спектроскопии, в системах преобразовании частоты и многих других приложениях.

Используемые источники
1) Gordeev N Yu et al. “Transverse single-mode edge-emitting lasers based on coupled waveguides” Optics Letters, vol. 40, No. 9, 2015, pp 2150-2152
2) Жуков А.Е. Основы физики и технологии полупроводниковых лазеров. СПб.: Изд-во Академ. Ун-та, 2016. -364с
3) Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. 2004, Нижний Новгород, РАН Институт физики микроструктур, 110с.
4) M. J. Miah, T. Kettler, V. P. Kalosha, K. Posilovic, D. H. Bimberg, J. Pohl, and M. Weyers, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 21, 4900206 (2015).
5) M.T. Kelemen et al., “Astigmatism and beam quality of high-brightness tapered diode lasers,” Proc. SPIE, vol. 5452, pp. 233–243, Sep. 2004.
Information about the project
Surname Name
Polubavkina Yulia
Project title
Investigation of lasers based on coupled waveguides by the near-field scanning optical microscopy
Summary of the project
In conclusion, the concept of suppression of high-order transverse modes in lasers with broadened waveguide due to the effect of codirectional coupling between two parallel waveguides placed in the close proximity was proved. Two epitaxial laser structures with one and two waveguides were fabricated. The relief of mirror surface of both lasers confirmed the layer structure and sizes of fabricated lasers was studied by atom force microscopy. Near field distributions of a laser emission were investigated. From analyses of obtained data it is clear that lasers with two coupling waveguides showed single mode emission.
Keywords
edge-emitting lasers, coupled waveguides, codirectional coupling