книги / Физические основы нанотехнологий фотоники и оптоинформатики

Светоизлучающие диоды являются источниками для аналоговых волоконно-оптических лазеров и низкоскоростных систем передачи информации с использованием многомодовых волоконных световодов.

Рис. 2.5. Значения ширины и длины волн запрещенной зоны

и постоянные решетки для различных полупроводников II–VI групп (HgSe и HgTe являются полуметаллами с малой отрицательной шириной запрещенной зоны). HgTe и CdTe имеют почти одинаковые решетки. Вертикальная линия, соединяющая их в проекции на ось абсцисс, дает почти одинаковое значение постоянной решетки

Трехкомпонентный полупроводник HgxCd1 xTe можно выращивать без напряжений на подложке CdTe (рис. 2.5). Материал HgxCd1 xTe

является основным для фотоприемников в средней инфракрасной обла-

сти [1].

2.2.КВАНТОВО-РАЗМЕРНЫЕ ЛАЗЕРЫ И ЛАЗЕРЫ

СМИКРОРЕЗОНАТОРАМИ2

Вквантово-размерных лазерах носители заключены в областях размером меньше длины волны де Бройля теплового электрона (50 нм

варсениде галлия GaAs). Дефект в двумерном фотонном кристалле со-

здает резонатор, который удерживает свет. Удержание носителей в одном, двух и трех измерениях соответствует конфигурациям типа квантовой ямы, квантовой проволоки и квантовой точки. Эти структуры обеспечивают квантовое ограничение движения носителей заряда.

2 По материалам работы [1].

31

С уменьшением размерности полупроводниковой структуры спектральный контур коэффициента усиления становится выше и уже. Это обеспечивает меньший пороговый ток, больший внешний дифференциальный квантовый выход и более узкую линию излучения (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Спектр коэффициентов усиления для лазеров на идеальных, объемных полупроводниках, квантовых ямах, квантовых проволоках и квантовых точках [2]

Однако при этом уменьшается объем зоны взаимодействия, что снижает выходную мощность лазеров на квантовых точках и квантовых проволоках.

2.2.1. Лазеры на квантовых ямах3

Лазер на квантовых ямах имеет лучшие характеристики, чем прибор с двойной гетероструктурой. Выигрыш получается из-за малой толщины отдельной квантовой ямы, которая меньше 10 нм, в сравнении с 100 нм для диода с двойной гетероструктурой.

Преимущества лазера с квантовыми ямами перед лазером с двойной гетероструктурой заключаются в следующем:

–меньше пороговая плотность тока;

–большой коэффициент преобразования электрической мощности в световую;

–меньшая ширина лазерных мод;

–малое время отклика, позволяющее использовать большие частоты модуляции;

–меньшая зависимость от температуры.

3 Квантовые ямы, проволоки и точки рассмотрены в работе [5].

32

Лазеры на квантовых проволоках

Пример 2.1. Активный слой из пяти квантовых проволок длиной 1 мм и толщиной 23 нм из InGaAsP погружен в оболочку из IP на расстоянии 89 нм друг от друга. При комнатной температуре устройство работает как лазер в непрерывном режиме на длине волны 1550 нм. Пороговый ток 140 мА, коэффициент преобразования мощности 2 %. Он уступает лазеру на квантовых ямах на том же чипе.

2.2.2. Лазеры на квантовых точках

Рассмотрим метод самоорганизации квантовых точек на поверхности раздела двух материалов с разными параметрами кристаллической решетки. Материал InAs выращивается химическим осаждением паров из газовой фазы на подложке из кристалла с большой постоянной кристаллической решетки и большой шириной запрещенной зоны GaAs.

Квантовые точки, называемые иногда нанокристаллами, обычно имеют форму кубов, сфер или пирамид. Их размер составляет 1–10 нм. Кубик с ребром 10 нм содержит около сорока тысяч атомов GaAs. Удержание носителей в активной области обеспечивается окружением квантовой точки оболочкой из полупроводника с большей шириной запрещенной зоны либо погружением ее в стекло или полимер. Энергетическими уровнями квантовой точки являются уровни ее экситона. Уровни энергии дискретные и зависят от размера квантовой точки. Квантовые точки часто самоорганизуются в пространственно упорядоченные структуры. Это позволяет создать лазер на сверхрешетке квантовых точек в активной зоне.

На рис. 2.7 представлено устройство лазера на квантовых точках. Структура состоит из нескольких слоев материалов, образующих pin-диод. Эти слои включают (снизу вверх) подложку n-GaAs, слой

n-AlGaAs, слой GaAs с собственной проводимостью, содержащий квантовые точки InAs, слой p-AlGaAs и верхний слой p-GaAs.

Металлические контакты на подложке и верхнем слое соединяют структуру с внешней электрической цепью.

На рис. 2.8 видно, что длина волны излучения лазера с излучением на квантовых точках растет с увеличением размера квантовых точек.

33

с несколькими зародышевыми слоями с пирамидальными квантовыми точками.

Изменение размера кластера приводит к сдвигу энергии поглощения и люминесценции оптического излучения полупроводниковых нанокластеров. В качестве примера рассмотрим оптические наноустройства – светоперестраиваемые диоды на основе селенида кадмия CdSe. В светоизлучающей ячейке нанокластеры CdSe находились в тонком слое на поверхности люминесцирующего полимера (поли-n-фенилен- винилена). Полимер был выращен на слое оксида индия Jn2O и олова Sn, способном пропускать носители в виде дырок. С другой стороны нанокластеры CdSe покрывались пленкой магния Mg и алюминия Al для инжекции в нанокластеры CdSe электронов. Приложение электрического напряжения к такой системе вызывает электролюминесценцию, длина волны которой изменяется путем изменения размера кластера.

2.2.3. Полупроводниковые вертикально излучающие лазеры (VCSEL)4

Из лазеров с микрорезонаторами наиболее распространены по- верхностно-излучающие лазеры с вертикальным резонатором (VCSEL – vertical-cavity surface-emitting laser). Свет выходит через верхнюю грань одномерного планарного микрорезонатора не вдоль, а перпендикулярно активному слою.

Упорядоченные наноструктуры на основе вертикально связанных квантовых ям или квантовых точек InGaAs позволяют создать лазерные устройства. На рис. 2.9 показана схема лазера, который излучает с поверхностивертикальносвязанныхнанокластеров InGaAs вматрице GaAs.

Лазер включает активную зону на основе упорядоченной наноструктуры в виде нанокластеров InGaAs в матрице GaAs, среду для инжектирования электронов и дырок, распределенные AlGaAs/AlO брэгговские рефлекторы в качестве зеркал и электроды. Резонатор образован решетками Брэгга с большим коэффициентом отражения. Отражаясь между ними, свет многкратно проходит через активный слой. Ключевым элементом лазера VCSEL является диэлектрическая пленка AlO, которая локализует инжекцию носителей и ограничивает оптическую моду в поперечном направлении.

4 По материалам работ 1, 3, 4 .

35

При комнатной температуре в случае оптимального количества слоев верхнего брэгговского рефлектора максимальная эффективность составила 16 %, а минимальный пороговый ток 68 мкА. На рис. 2.10 представлены технические данные такого лазера – выходная мощность и коэффициент полезного действия.

Рис. 2.9. Схема лазера на вертикально связанных нанокластерах InGaAs в матрице арсенида галлия GaAs. На вставке справа приведено поперечное сечение активной зоны лазера. QW – квантовые ямы, QD – квантовые точки, AlO – диэлектрическая пленка; 1 – нанокластерная полость, содержащая

квантовые точки; 2 – (p)GaAs спейсер, содержит арсенид галлия с акцепторной проводимостью; 3 – брэгговские рефлекторы; 4 – электроды [3]

Рис. 2.10. Зависимость выходной мощности и КПД лазера на вертикально связанных нанокластерах InGaAs в матрице арсенида галлия GaAs от тока инжекции. Сплошные линии – мощность лазера; короткий

пунктир – КПД лазера; длинный пунктир – вольт-амперная характеристика. Кривые мощности приведены в зависимости от числа отражающих слоев брэгговских рефлекторов (1, 2, 3) [3]

36

Полупроводниковые вертикально излучающие лазеры находят широкое применение в быстродействующих оптоволоконных системах для передачи информации. Подобные лазеры работают в диапазоне ближнего инфракрасного излучения (ИК) длин волн 850 и 980 нм. Имеют различный диаметр пучка до 1 мкм. Разработаны лазеры в диапазоне дальнего ИК 1,2–1,5 мкм.

2.2.4.Фотонно-кристаллические лазеры

смикрорезонаторами5

Лазеры с микрорезонаторами включают ограничение свободы фотонов пространственной областью, размеры которой порядка оптической длины волны 1 мкм. Ограничение пространственной свободы фотонов и носителей заряда – это различные свойства приборов фотоники. Конструктивно микрорезонаторы имеют вид микростолбиков, микродисков и микросфер. На практике большинство лазеров с микрорезонаторами имеют в активной области квантово-размерные структуры.

Микрорезонаторы состоят из дефектов в двумерных фотонных кристаллах. Дефект в двумерном фотонном кристалле создает резонатор, который удерживает свет. Квантово-размерные источники света с такими микрорезонаторами являются основой беспороговых лазеров размером порядка длины волны. Длину волны и пространственное распределение моды дефекта таких лазеров можно перестраивать. Они допускают высокие скорости прямой модуляции.

Пример 2.2. Одномодовый фотонно-кристаллический лазер, работающий при комнатной температуре. Электрическая накачка лазера осуществляется через субмикронный штырь из InP, пороговый ток равен 260 мкА. Активная облсть включает шесть квантовых ям из InGaAsP c компенсацией за счет напряжения. Генерация происходит на длине волны 1520 нм. Выходная мощность равна 2 нВт при токе 0,5 А. Доб-

ротность около 2500. Модовый объем V 0,06 мкм3 (рис. 2.11, а).

Когда ширина линии излучения меньше ширины электромагнитной моды , спонтанное излучение в микрорезонаторах с высокой

добротностью можно усилить за счет эффекта Перселла. Фактор Перселла для данного прибора составляет

5 По материалам работы 1 .

37

32 3 Q 400 .

4V

Нановаттный уровень мощности отдельного прибора можно повысить за счет использования матриц связанных микрорезонаторов.

Рис. 2.11. Фотонно-кристаллический лазер на квантовых ямах InGaAsP/InGaAsP (а) и матрица когерентно связанных фотонно-кристаллических лазеров на квантовых ямах (б) [1]

Пример 2.3. Фотонно-кристаллический лазер с матрицей нанорезонаторов. Четыре квантовые ямы из материала InGaAsP/InP. Длина волны излучения 1534 нм. Каждый из 9 9 81 резонатора, образующих матрицу, занамает площадь 1,5 мкм2, площадь матрицы составля-

ет 15 мкм2 (рис. 2.11, б).

Прибор имеет оптическую накачку от импульсного диодного лазера на 808 нм, излучение которого фиксируется в пятно размером с матрицу. Пиковая пороговая мощность для матрицы связанных резонаторов составляет 2,5 мВт. Коэффициент связи спонтанного излучения – 0,1. Наблюдалась пиковая выходная мощность 12 мкВт в одномодовомрежиме. Прибордопускаеточень высокие скоростимодуляции.

38

Парселл-фактор [1]

В свободном пространстве вероятность нахождения первоначально возбужденной двухуровневой системы (ДУС) в верхнем состо-

временем жизни 1/ , где Г – скорость распада возбужденного состояния двухуровневой системы. Зависимость характерного времени возбужденного состояния от окружения была рассмотрена Парселлом. Для количественного описания явления вводится фактор Парселла, величина которого равна отношению скоростей спонтанной релаксации в заданном окружении рел к скорости распада в вакууме Г:

P рел .

Поместим двухуровневую систему в резонатор размером L c собственными частотами с ; 2L m,n,l , тогда фактор Парселла

где V – объем резонатора; Q – добротность, Q MP ; – длина волны

MP

Существенное увеличение скорости спонтанного распада возникает также вблизи открытых металлических нанорезонаторов в оптическом

диапазоне V /10 3 и Q 10, рел 400 .

2.3. СЛУЧАЙНЫЕ ЛАЗЕРЫ6

Случайные лазеры (порошковые лазеры, плазеры) работают на основе обратной связи, обеспечиваемой многократным рассеянием внутри неупорядоченной усиливающей среды, которая служит закры-

6 По материалам работы 1 .

39

тым трехмерным резонатором. Фотоны внутри среды совершают случайные блуждания в трех измерениях (см. рис. 2.11, а). Сильное рассеяние связано с неупорядоченностью среды. В отличие от обычных лазеров, излучение, отраженное назад в каждую точку активной среды, имеет случайную фазу. Обратная связь некогерентна и осуществляется через интенсивность. В обычном лазере обратная связь когерентна и реализуется через амплитуду поля. Центральная частота генерации определяется спектральным профилем усиления активной среды. Из-за большой длины пробега фотона при многократном рассеянии в активной среде достигается значительное усиление. Чем сильнее рассеяние, тем больше обратная связь и ниже порог генерации.

Отличительным признаком случайного лазера является отсутствие направленности и пространственной когерентности испускаемого света. Пространственная картина лазерного излучения с торца кюветы, содержащей порошковую активную среду, похожа на картину от светодиода с поверхностным излучателем. Накачка случайных лазеров может быть оптической, электрической или электронным пучком. Генерация излучения происходит от инфракрасного до ультрафиолетового диапазонов.

Пример 2.4. Случайный микролазер на окиси цинка (ZnO). Плотно упакованная совокупность нескольких тысяч нанокристаллитов ZnO, каждый диаметром порядка десятков нанометров, может образо-

вывать микрокластер диаметром 1 мкм (рис. 2.12, б). Нанокристаллиты служат усиливающей средой и рассеивающими элементами обратной связи случайного микролазера. Длина волны излучения

380 нм лежит вблизи длины волны запрещенной зоны ZnO. Благодаря удержанию света рассеянием такие микролазеры не нуждаются в правильной форме и гладкой поверхности микрокластера.

Рис. 2.12. Многократное рассеяние фотонов в активной среде случайного лазера: а – замкнутые локальные петли, которые проходят фотоны поля, служат локальными резонаторами, обеспечивающими когерентную и резонансную обратные связи; б – плотноупакованные нанокристаллиты ZnO [1]

40