Пороговый ток лазеров на двойной гетероструктуре и лазеров с квантовыми ямами

1. Пороговый ток лазеров на двойной гетероструктуре и лазеров с квантовыми ямами

Geff = Гg
ДГС, L=100 nm, Г 0.1
Кв. яма, Lz=10 nm, Г→ 0
мода не удерживается в тонком слое
Фактор опт. ограничения Г
Структура с раздельным ограничением
носителей и моды (РО ДГС)
Толщина активного слоя d, мкм
LSCH =100 nm, Lz=10 nm, Г=0.01

2. Сравнение плотностей пороговых токов лазеров ДГС и РО ДГС с квантовой ямой

e
Выражение для порогового тока:
J th
L( z )
scat 1 1
ln
fc
i
l R
j0 L( z )
i
N
P
h
Зонная диаграмма структуры РО ДГС
при большом прямом смещении
jo = 4 103 A/cм2 мкм, 4.4 10-2 мкм см/A, l = 500 мкм, Г=0.1, L=0,1 мкм
Оценка для ДГС:
(300 K)
4 103 0.1
0.1
J th
1
1 4.4 10-2
10
1
1
10 0.1 0.1 5 10-2 ln 0.3
= 400 A/cm2 + 2.3[10 + 100 + 200] A/cm2 = 400 A/cm2 + 700 A/cm2 = 1.1 kA/cm2
Оценка для РО ДГС
с КЯ:
jo = 4 103 A/см2 мкм, 8 10-2 мкм см/A, l = 500 мкм, Г=0.01, Lz=10nm
4 103 10-2
10-2
J th
1
1 8 10-2
10
1
1
10
ln
10-2 10-2 5 10-2 0.3
= 40 A/cm2 + 0.13[10 + 1000 + 2000] A/cm2 = 40 A/cm2 + 390 A/cm2 = 430 A/cm2
В РО ДГС КЯ лазерах плотность пор. тока можно существенно снизить при увеличении длины резонатора
и минимизации потерь.

3. Структуры РО ДГС с набором (несколькими) КЯ

Плотность порогового тока,
кА/см2
Зонная диаграмма:
l =250 мкм
l =1000 мкм
3
9
6
Число КЯ
В лазерах большой длины с одной КЯ минимальный пороговый ток
→ для лазеров большой мощности
Структуры с несколькими КЯ
→ лазеры для связи (высокая граничная частота модуляции)
12

4. Температурная зависимость плотности порогового тока РО ДГС лазеров с КЯ

Оже коэффициент
Нормированная плотность порог. тока
ln [ J(T) / J(0) ]
Температурная зависимость плотности порогового тока РО
ДГС лазеров с КЯ
Lz
Температура, °С
J пор Т J 0 exp T / T0
• С ростом темпаратуры включается Оже-рекомбинация
что ведет к росту порогового тока (особенно в КЯ
GaInAsP!)
• Вклад в рост тока дает также утечка носителей из КЯ
в волноводный слой
Jth = Jизл + JОже +
Jутечка
Оже коэффициент
Температура, °С
Толщина КЯ, Ǻ

5. Влияние внутренних напряжений на величину усиления и пороговый ток лазеров с КЯ

Плотность порогового тока, А/см2
Влияние внутренних напряжений на величину усиления и
пороговый ток лазеров с КЯ
линия согласования
параметров решетки
InGaAsP с InP
точка согласования на
длине волны 1,55 мкм
сжатый
cлой InGaAsP
(compressive)
Сжатый
InGaAsP
растянутый
cлой InGaAsP
(tensil)
Не напряженный
InGaAsP
Растянутый
InGaAsP
Растяжение
Напр.
%
Сжатие

6. Мощные лазеры РО ДГС КЯ: Выбор структуры и ограничения

Как обеспечить большую мощность?
1. Выбрать структуры с минимальным пороговым током
одна КЯ и большая длина рез-ра (!)
4
Выходная мощность
3
2. Обеспечить максимальную дифференциальную
эффективность
ext i
5
2
1 / l ln 1 / R
scat fc 1 / l ln 1 / R
высокое качество материала ( i)
низкие потери !!!
3. Устранить деградацию зеркал
покрытие зеркал
1
Ток накачки
4. Обеспечить хороший отвод тепла
большая длина рез-ра, качественная пайка
на теплоотвод

7. Выбор параметров структуры РО ДГС лазеров с КЯ: Эффективный размер поперечной моды Lz/Г

Зависимость порога деградации зеркала
от длины волны (или состава тв. р-ров):
Выходная мощность принципиально ограничена
катастрофической деградацией зеркал:
Pmax (CW )
Lz
w PCOMD
Длина волны
730 nm
810 nm
980 nm
Эффективный размер поля Lz/Г, мкм
w- ширина полоска
InGaAsP/InP
λ = 0,97 мкм
PCOMD
10 MW/cm2
17 MW/cm2
18 MW/cm2
Lz
L
w
Для обеспечения максимальной мощности размер
Lw должен быть как можно больше, но максимальный
размер ограничен появлением мод высокого порядка !!
Lw , мкм
Дополнительное требование
- лазер должен работать на основной моде.

8. Метод селекции основной поперечной моды - выбор положения КЯ в пределах волноводного слоя

Метод селекции основной поперечной моды выбор положения КЯ в пределах волноводного слоя
AlGaAs
InGaAs
GaAs
Ширина запрещенной зоны, эВ
Интенсивность поля моды
Симметричный волновод с асимметричным
расположением КЯ:
Координата, мкм
Асимметричное
расположение
КЯ
позволяет
уменьшить
фактор
перекрытия усиления с модами высокого порядка и эффективно
подавлять их генерацию.

9. Ограничение внутренних потерь в лазерах высокой мощности

n
p
Поглощение на св. носителях в волноводном слое
Поглощение на св. носителях:
в n-эмиттере
в p-эмиттере
Зависимость концентрации носителей
в волноводном слое от плотности тока
и числа квантовых ям в активной области
Интенсивность, отн. ед.
Рост концентрации носителей с током:
Длина волны, нм
Плотность тока накачки, А/см2
1- 7, 2-71, 3- 357, 4-1070
Плотность тока, кА/см2

10. Селекция основной моды и уменьшение внутренних потерь в асимметричных волноводах

Интенсивность поля моды
Показатель преломления
Селекция основной моды и уменьшение внутренних
потерь в асимметричных волноводах
Толщина слоя InGaP, мкм
- - - симметричный Lw=1.7 мкм
асимметричный
Lw=0.7 мкм
Плотность тока, кА/см2
Потери в волноводе, см-1
основная мода
первая мода
Внешняя диф. эффективность
Потери, см-1
Координата, мкм

11. Пример: Характеристики сверхмощного лазера РО ДГС лазера с одной КЯ (рекордный результат, ФТИ им. А.Ф. Иоффе)

80
16
14
60
T = 20 C
12
50
10
w=100 мкм
8
L=3 мм
AR(5%)/HR(95%) 6
Ith=280мA
4
d=88%
2
40
30
20
10
0
0
5
10
15
Ток накачки , A
20
0
Мощность излучения, Вт
Непрерывный режим
70
КПД , %
18

12. Мощные лазеры, импульсный режим

Мощность, Вт
1, 3 – расчет
2,4 - эксперимент
1,2 – длина волны 1,04 мкм
3,4 – длина волны 1,76 мкм
Плотность тока, кА/см2

13. Дальнее поле излучения и срок службы РО ДГС лазеров с КЯ высокой мощности

Поле в плоскости
Мощность, Вт
Интенсивность, отн. ед.
Поперечное поле
Температура теплоотвода 65 С
Выходная мощность 4 Вт
Ток накачки 5 А
Угол в дальнем поле, град
Время, часы
Эквивалентно 50 000 часам при 20 C !!

14. Сравнение модуляционных характеристик лазеров ДГС и РО ДГС с КЯ

Амплитуда отклика, дБ
Максимум усиления, см-1
Набор напряженных КЯ p-типа
Плотность носителей, 1018 см-3
В напряженных КЯ при малой величине усиления
наклон зависимости g(n) большой
большое дифференциальное усиление dg/dn
ДГС
РО ДГС КЯ
Напряженная
КЯ
Частота, ГГц
Лазеры РО ДГС с набором напряженных КЯ
работают при малом усилении в каждой яме
максимальное dg/dn
максимальная граничная частота

15. Сравнение граничных частот модуляции ДГС и РОДГС КЯ лазеров

Граничная частота модуляции,
ГГц
Сравнение граничных частот модуляции ДГС и РОДГС КЯ
лазеров
QW – quantum well =
квантовая яма
Дата публикации
• Рекордные значения граничной частоты достигают 40 ГГц !!
(дальнейшее увеличение частоты не происходило, переход к «внешним» модуляторам)
• У лазеров InGaAsP/InP с КЯ, используемых в системах оптической связи
(λ = 1,3 - 1,5 мкм), граничные частоты до ~ 25 ГГц

16. Влияние толщины волноводного слоя РО ДГС КЯ лазера на частотные характеристики

Схема транспорта носителей в РО ДГС КЯ
лазерах:
Амплитуда отклика, дБ
Влияние толщины волноводного слоя РО ДГС КЯ лазера
на частотные характеристики
LSCH
Время доставки и захвата электронов
и дырок в КЯ - конечное. Чем меньше
это время, тем шире полоса модуляции.
Это подтверждают результаты экспериментов на лазерах с разной толщиной
волноводного слоя LSCH.
Амплитуда отклика, дБ
Частота, ГГц
LSCH
Частота, ГГц

17. Влияние времен захвата (c) и выброса (e) носителей в/из КЯ на частотную характеристику лазера

Влияние времен захвата ( c) и выброса ( e) носителей
в/из КЯ на частотную характеристику лазера

18. Влияние нелинейного усиления на частотную характеристику лазера

19. Влияние паразитных элементов структуры и цепи питания на частотные характеристики лазеров

Амплитуда отклика, дБ
Результаты моделирования:
Паразитные элементы цепи питания лазера
Схема монтажа высокочастотного лазера:
Частота, ГГц
Lp - паразитная индуктивность проволочки
подвода питания
Сp - паразитная емкость (контакты и барьерная
емкость структуры)

20. Оптимизированная структура лазера InGaAsP/InP (λ= 1,55 мкм) с волноводным слоем p-типа

Преимущества такой структуры:
•При сильном p-легировании волноводного
слоя время транспорта - наименьшее
(определяется только движением электронов)
• Дифференциальное усиление максимально
большое из-за большого числа КЯ (10 шт.)
Амплитуда отклика, дБ
Схема структуры с набором
КЯ и волноводом p-типа:
Частота, ГГц