4.13.2. Наноэлектронные лазеры с вертикальными резонаторами
Перспективы развития лазерной техники связаны с разработкой миниатюрных лазеров с малыми пороговыми токами лазерной генерации и с высокой частотой токовой модуляции лазерного излучения (десятки гигагерц). Совокупностью указанных свойств обладают наноэлектронные лазеры, в частности полупроводниковые лазеры с вертикальными резонаторами (ЛВР), рассмотремнным в [77].
Лазеры этого типа получили название VCSEL (Vertical-Сavity Surface-emitting laser) или VCL (Vertical-Cavity Laser).
Принцип работы полупроводниковых ЛВР тот же, что и у обычных полосковых полупроводниковых лазеров: в обоих типах лазеров используется резонатор Фабри–Перо, и квантовое усиление в активной области достигается за счет инжекции и рекомбинации электронов и дырок в этой области. Принципиальное отличие лазеров заключается в способе формирования лазерного резонатора. Полупроводниковый полосковый лазер содержит резонатор Фабри–Перо, образованный двумя зеркалами, получаемыми путем скола полупроводниковой пластины вдоль кристаллографических направлений. Таким образом, ось резонатора лежит в плоскости полупроводниковой пластины, и излучение лазера также параллельно плоскости исходной пластины. В полупроводниковом ЛВР резонатор Фабри–Перо образован двумя брэгговскими зеркалами, которые формируются в едином технологическом процессе роста лазерной структуры или же в постростовых технологических процессах. Слои брэгговских зеркал расположены параллельно исходной подложке, а ось резонатора и направление излучения перпендикулярны (вертикальны) по отношению к плоскости полупроводниковой пластины, что и определяет название лазеров – лазер с вертикальным резонатором. В англоязычной литературе наиболее распространены два варианта названия лазеров данного типа: vertical-cavity surface-emitting laser или vertical-cavity laser, общепринятые аббревиатуры соответственно VCSEL или VCL.
Структура лазера с вертикальным резонатором представлена на рис. 4.32.
Рис. 4.32. Структура наноэлектронного лазера с вертикальным резонатором
Два брегговских зеркала образуют резонатор лазера. Эти зеркала образованы полупроводниковыми четвертьволновыми слоями с чередующимися показателями преломления (например, λ/4 слоями GaAs и λ/4 слоями AlGaAs).
Между брегговскими зеркалами лазера расположены полупроводниковые слои, содержащие активную область лазера.
Активная область ЛВР содержит одну или несколько полупроводниковых квантовых ям или квантовых точек.
С целью достижения высокой внутренней квантовой эффективности активная область не легируется. При использовании полупроводниковых брегговских зеркал инжекция носителей заряда в активную область может осуществляться непосредственно через зеркала, для чего в одном из зеркал (как правило, верхнем) используется p-тип легирования, а в другом (нижнем) используется n- тип легирования. Лазер представляет собой p–i–n-структуру.
Если в лазере используется диэлектрические брегговские зеркала, то в этом случае инжекция носителей заряда осуществляется с использованием дополнительных контактных слоев.
Такой вариант инжекции называется внутрирезонаторной.
В лазерах с внутрирезонаторной инжекцией расстояние между зеркалами составляет 2λ, 3λ… с той целью, чтобы добиться приемлемых значений омического сопротивления контактных слоев.
Для большинства лазеров длина волны резонатора определяется как расстояние между зеркалами. Для ЛВР расстояние между зеркалами, как правило, меньше толщины брегговских зеркал, образующих резонатор. Для таких ЛВР используют понятие эффективной длины резонатора. Эффективная длина резонатора определяется как некоторый участок резонатора, в котором локализована большая часть энергии моды.
Типичный размер апертуры ЛВР составляет примерно 10 мкм, что определяет заметно меньшую расходимость лазерного излучения (единицы градусов) в сравнении с полосковыми лазерами, у которых расходимость излучения составляет десятки градусов в плоскости, перпендикулярной p–n-переходу. Обычно апертура ЛВР имеет форму круга или квадрата, что определяет симметричную диаграмму направленности лазерного излучения.
Излучение ЛВР может выводиться как через верхнее зеркало, так и через оба зеркала. Направление для вывода излучения определяется соотношением коэффициентов отражения нижнего и верхнего зеркал.
К брегговским зеркалам ЛВР предъявляются очень высокие требования. За счет того, что длина активной усиливающей области ЛВР очень мала (толщина нескольких квантовых ям: несколько десятков нанометров), усиление за один обход резонатора составляет всего лишь около 1%. Для достижения генерации в резонаторе лазера необходимы высокоэффективные зеркала с коэффициентами отражения R не ниже 0,99.
Типичные значения коэффициентов отражения для выходных зеркал ЛВР лежат в интервале 0,99–0,995, коэффициенты отражения плотных зеркал ЛВР стремятся приблизить к значениям 0,999. При использовании чередующихся четвертьволновых слоев GaAs и AlAs требуется 20 пар этих слоев для достижения коэффициента отражения 0,999.
В коммерческих ЛВР в силу ряда технологических требований используют не бинарные соединения GaAs и AlAs, а твердые растворы, например Al0,15Ga0,85As и Al0,92Ga0,08As, что снижает контраст показателей преломления и заметно уменьшает коэффициент отражения зеркал. Кроме того, в лазерных структурах для снижения оптического сопротивления используются градиентные слои твердых растворов на границах слоев, что также снижает коэффициент отражения брэгговского зеркала.
Легирование полупроводниковых брегговских зеркал тоже приводит к заметному снижению их коэффициента отражения за счет поглощения света на свободных носителях заряда. В итоге для достижения необходимых значений коэффициентов отражение в брегговских зеркалах ЛВР требуется использовать большее число пар слоев с чередующимися показателями преломления.
Типичным для коммерческих ЛВР является использование 25 пар слоев в выходном зеркале и 35 пар в плотном зеркале.
Конструкция ЛВР лазера разработанного НПО «Октава» (г. Новосибирска) приведена на рис. 4.33.
Коэффициент отражения выходного зеркала этого лазера, содержащего 25 слоев, превышает уровень 0,99 на рабочей длине волны лазера 0,85 мкм.
Рис. 4.33. Конструкции наноэлектронного лазера [77]
Активная область лазера содержит три GaAs квантовые ямы шириной 8 нм. Для достижения максимального коэффициента оптического ограничения квантовые ямы располагаются вблизи максимума амплитуды стоячей волны.
За счет проникновения световой волны в зеркала этот участок превышает расстояние между зеркалами. Эффективная длина резонатора LЭФФ ЛВР обычно в несколько раз превышает расстояние между брегговскими зеркалами. Однако и с учетом этого обстоятельства ЛВР имеют наименьшую длину резонатора в сравнении с любыми другими лазерами. Характерные значения эффективной длины резонатора ЛВР примерно 1 мкм. Соответственно, ЛВР характеризуются наибольшим межмодовым расстоянием, существенно превосходящим полосу усиления активной области лазера, что предопределяет одномодовый режим генерации лазера.
В ИФП СО РАН (г. Новосибирск) разработаны и исследованы ЛВР содержащие одну или три квантовые ямы InGaAs в активной области, с резонатором, образованным полупроводниковыми GaAs/AlGaAs брегговскими отражателями, а также слоем Ti/Au.
Рис. 4.34. Ваттамперная зависимость для ЛРВ на основе GaAs квантовых ям с оксидной апертурой AlGaО 16 мкм. Непрерывная накачка, Т = 300 К
Конфигурация зонных диаграмм для ЛВР с одной InGaAs квантовой ямой приведена на рис. 4.35.
Параметр апертуры А варьировался от 2 до 12 мкм. Излучение лазера выводилось через просветленную подложку n-GaAs.
Лазер обладает малыми оптическими потерями и высокой добротностью лазерного резонатора. Резонатор лазера образован высокоэффективным низколегированным (выходное зеркало) и нелегированным (верхнее зеркало) отражателями, что значительно снижает оптические потери на поглощение свободными носителями заряда. С целью уменьшения оптических потерь все высоколегированные слои (контактные, апертурные, туннельные) располагаются в узлах стоячей волны.
Верхнее зеркало, образованное слоями GaAs/Al0,95Ga0,05OX и Ti/Au, характеризуется очень высоким коэффициентом отражения в широком спектральном диапазоне (700–1200 нм). В центре этого диапазона расчетное значение коэффициента отражения зеркала составляет 0,9999.
Выходное GaAs/AlAs зеркало также характеризуется высоким коэффициентом отражения (0,9989).
Рис. 4.35. Конфигурации зонных диаграмм для ЛВР-2 при подаче
на структуру положительного смещения
Ваттамперные характеристики лазера с апертурой А = 8 мкм, работающего в режиме непрерывной накачки, представлены на рис. 4.36. Лазер имеет пороговый ток IПОР = 0,6 мА при Т = 300 К и внешнюю квантовую эффективность η = 6%, рабочая длина волны составляет λ = 930 нм. 1 – η = 31%, IПОР = 30 мкА; 2 – η= 6%, IПОР = 600 мкА.
При снижении температуры происходит увеличение коэффициента квантового усиления, а также смещение положения максимума полосы квантового усиления и положения резонанса лазера в коротковолновую область. Максимум полосы усиления смещается в коротковолновую область за счет увеличения ширины запрещенной зоны InGaAs. Положение резонанса ЛВР смещается в коротковолновую область с уменьшением температуры за счет уменьшения значений показателя преломления материалов, образующих лазерный резонатор.
При снижении температуры до Т = 80 К расчетное значение максимума полосы квантового усиления составляет 916 нм, расчетное значение резонансной длины волны лазера 918 нм.
Рис. 4.36. Ваттамперные характеристики ЛВР-2 с апертурой А = 8 мкм
при Т = 80 К (1) и 300 К (2)
Рис.4.37. Ваттамперные характеристики ЛВР-1
с апертурой А = 500 мкм, τ = 0,5 мкм
Ваттамперные характеристики лазера с тремя квантовыми ямами с апертурой А = 500 мкм при разных температурах приведенных на рис. 4.37. Лазер позволяет получить рекордно высокие значения выходной мощности для ЛВР (до 10 Вт при Т = 300 К и 20 Вт при Т = 250 К в импульсном режиме):
f = 1кГц, Т, К: 1– 250, 2 – 275, 3 – 300.
В заключение перечислим основные преимущества и достоинства наноэлектронных лазеров:
низкие пороговые и рабочие токи за счет малого объема резонатора ЛВР;
ЛВР – самые миниатюрные лазерные источники;
ЛВР имеют малую расходимость излучения, симметричную диаграмму
направленности излучения за счет относительно больших и симметричных апертур.
Эффективность ввода излучения ЛВР в оптическое волокно может превышать 90% за счет хорошего согласования параметров излучения лазера с числовой апертурой волокна:
сверхвысокие частоты токовой модуляции за счет сверхмалой длины и
малого объема лазерного резонатора (до 20 ГГц в настоящее время);
одномодовый режим работы, определяемый большим межмодовым рас-
стоянием, что задается сверхмалой длиной резонатора;
высокая температурная стабильность длины волны генерации, что
определяется малым температурным коэффициентом изменения положения резонанса Фабри–Перо. Типичное для ЛВР значение dλ/dT ≈ 0,06 нм/град, что в пять раз ниже в сравнении с аналогичным параметром для полосовых полупроводниковых лазеров.
возможность создания линеек и матриц ЛВР с большим числом элемен-
тов, что необходимо для быстродействующих оптических систем передачи и обработки информации;
возможность создания миниатюрных мощных лазеров.
В качестве «недостатка» наноэлектроных лазеров следует указать на высокую стоимость технологического оборудования и сложность технологических процессов используемых для создания прецизионных и многослойных гетероструктур.
Рост таких структур является предельно сложной задачей для современных технологий молекулярно-лучевой эпитаксии и эпитаксии из металлоорганических соединений. Количество различных слоев лазерной структуры может составлять сотни и в ряде случаев превышать тысячу, при этом требуемая точность задания толщины слоев составляет около 1%.
Технологии молекулярно-лучевой эпитаксии позволяет изготовливать структуры со слоями нанометровой толщины. Также слои необходимы для производства нанофотоприемников и лазеров.
Важнейшим параметром лазера является пороговая плотность тока, сооветствующая началу лазерной генерации. Как видно на рис. 4.38. за пять десятилетий развития лазерной техники удалось снизить пороговую плотность полупроводниковых лазеров с 105 до 10А/см2.
Рис.4.38.Эволюция
полупроводниковых лазеров от
арсенид-галлиевых на p-n-переходах
до наноразмерных на квантовых точках.
В последние годы опубликовано много работ посвященных наноэлектронным лазерам [65, 77] Особое внимание в них уделяется наноэлектронным лазерам с вертикальными резонаторами. Именно этим лазерам принадлежит много абсолютно мировых рекордов в области лазерной техники. К числу этих рекордов относится минимальный пороговый ток лазерной генерации – единицы микроампер. Лазеры с вертикальными резонаторами – самые миниатюрные. К числу мировых достижений относится и рекордно высокая частота токовой модуляции лазерного излучения – десятки гигагерц. Лазеры с вертикальными резонаторами перспективны для создания излучателей, которые могут использоваться в квантовой криптографии.