100

1. Введение

Квантовые каскадные лазеры (ККЛ) хорошо заре­ комендовали себя в качестве источников излучения в среднем ИК диапазоне и находят применение во многих областях­ науки и техники, в первую очередь в молекулярной спектроскопии и газоанализе, биомедицинских приложениях, перспективных телекоммуникационных сис­ темах [1 – 5]. Во многих случаях для расширения возможностей практического применения ККЛ от них требу-

К.А.Подгаецкий,А.В.Лобинцов,А.ИДанилов,А.В.Иванов,М.А.Ладу­ гин,Е.В.Кузнецов.АО«НИИ "Полюс"им.М.Ф.Стельмаха»,Россия, 117342 Москва, ул. Введенского, 3, корп.1; e-mail:podgaetskykonstantin@yandex.ru

А.А.Мармалюк. АО «НИИ "Полюс" им. М.Ф.Стельмаха», Россия, 117342 Москва, ул. Введенского, 3, корп.1; Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Россия­ , 115409 Моск­ ­ва, Каширское ш., 31; Российский университет дружбы народов, Рос­ сия, 117198 Москва, ул. Миклухо-Маклая­ , 6

В.В.Дюделев, Д.А.Михайлов, Д.В.Чистяков, Е.А.Когновицкая, С.Н.Лосев, С.Х.Абдулразак, Г.М.Савченко, А.В.Лютецкий, С.О.Слипченко, Н.А.Пихтин, Г.С.Соколовский. Физико-техни­ ческий институт им. А.Ф.Иоффе РАН, Россия, 194021 С.- Петербург, Политехническая ул., 26

А.В.Бабичев, И.И.Новиков, Л.Я.Карачинский. Санкт-Петербург­ ский национальный универ­ ­ситет информационных технологий, механики и оптики, Россия, 197101 С.-Петербург, Кронверкский просп., 49 А.Г.Гладышев. ООО «Коннектор Оптикс», Россия, 194292 С.-Пе­

тербург, ул. Домостроительная, 16 литер Б А.Ю.Егоров. Санкт-Петербургский национальный универ­ ситет­ ин­

формационных технологий, механики и оптики, Россия, 197101 С.- Петербург, Кронверкский просп., 49; Санкт-Петербург­ский национальный исследовательский академический университет им. Ж.И. Алфёрова РАН, Россия, 194021 С.-Петербург, ул. Хлопина­ , 8, корп. 3, литер А;

Поступила в редакцию 5 марта 2024 г., после доработки – 17 мая

2024 г.

ется повышенная выходная мощность излучения. Одним из наиболее простых и распространенных методов повышения указанной характеристики в технологии полупроводниковых лазеров является метод формирования высокоотражающих покрытий (HR) на грани полупроводникового кристалла.

Зеркальные высокоотражающие покрытия ККЛ можно разделить на два основных типа: диэлектрические и металлодиэлектрические. В первом из них отражение лазерного излучения осуществляется от комбинации чередующихся диэлектрических слоев с высоким и низким показателем преломления, тогда как во втором – в качестве отражающего элемента служит слой металла, отделенный от полупроводниковой гетероструктуры диэлектрическим слоем. К безусловным достоинствам диэлектрических зеркал ККЛ можно отнести технологическую простоту осаждения слоев и низкий коэффициент по­ глощения многослойного зеркального покрытия; среди основных недостатков выделяют сложность точного контроля толщины слоев в процессе нанесения, существенную толщину диэлектрических зеркальных покрытий для обеспечения высоких значений коэффициента отражения в среднем ИК диапазоне и связанные с этим сложности создания диэлектрических зеркал для ККЛ с длинами волн более 8 мкм. При этом металлодиэлектрические зеркала во многом лишены указанных недостатков, хотя и имеют собственные. Металлы хорошо отражают излучение в среднем ИК диапазоне и для достижения высокого коэффициента отражения зеркал достаточно их тонких слоев. Однако такие зеркала сильнее, чем диэлектрические покрытия, поглощают падающее излучение, что при интенсивном лучевом воздействии может приводить к их перегреву с последующим выходом ККЛ из строя.

В работах [6 – 9] сообщается об успешном использовании диэлектрических покрытий Si – SiO2, Ge – SiO2 и Si – Al2O3 для повышения выходной оптической мощности

ККЛ. Металлодиэлектрические зеркала Al2O3 – Au, SiO2 –

Au, Al2O3 – Ti –Au, Y2O3 – Ti – Au и YF3 – Cr – Au исследо-

ваны в [8 – 14], и их применение также позволило улучшить мощностные параметры ККЛ.

Дальнейшее повышение выходной мощности ККЛ возможно при использовании оптического покрытия на передней грани резонатора в дополнение к высокоотражающему покрытию на задней грани. Здесь можно выделить два варианта. Первый из них предполагает использование просветляющих оптических покрытий (AR), коэффициент отражения которых ниже, чем коэффициент отражения естественной грани ККЛ после скалывания без покрытия (as-cleaved, As). В работе [14] продемонстрировано повышение выходной мощности ККЛ с покрытиями HR-AR на 13 % по сравнению с образцами только с одним высокоотражающим покрытием (HR-As), а в работе [15] – на 21 %, тогда как авторы [16], хотя и наблюдали увеличение наклона ватт-амперной характеристики (ВтАХ) у образцов ККЛ HR-AR, не смогли добиться в условиях проводимого эксперимента повышения выходной оптической мощности по сравнению с ККЛ HR-As. Вместе с тем в работах [17, 18] показан положительный эффект от использования частично отражающих зеркал (PHR) – второго варианта рассматриваемых оптических покрытий, коэффициент отражения которых превышает коэффициент отражения естественной грани резонатора ККЛ. Данные покрытия позволили снизить пороговый ток ККЛ HR-PHR и обеспечить их работоспособность при более низких токах накачки, что способствовало снижению энергопотребления; причем авторы [17] отметили не только снижение порогового тока, но и увеличение выходной оптической мощности. Таким образом, покрытия с различными значениями коэффициентов отражения могут быть использованы для повышения выходной мощности ККЛ при различных условиях эксплуатации, при этом выбор коэффициентов отражения зеркал для каждого конкретного случая будет зависеть и от других параметров ККЛ (длина резонатора, внутренние оптические потери, плотность порогового тока и т. д.).

В наших предыдущих работах рассмотрены диэлектрические и металлодиэлектрические высокоотражающие покрытия ККЛ [19, 20]. Настоящая работа является их продолжением и посвящена сравнительному анализу эффективности использования просветляющих и частично отражающих зеркальных покрытий в дополнение к высокоотражающим покрытиям ККЛ, излучающих в диапазоне 4 – 5 мкм.

2. Экспериментальная часть

Исследуемые ККЛ изготавливались на основе многослойной гетероструктуры InGaAs/AlInAs/InP, выращенной методом молекулярно-лучевой эпитаксии [21, 22]. Ширина мезаполоскового контакта составляла 40 мкм, а длина резонатора – 4 мм. Полученные образцы ККЛ были разделены на четыре группы. Первая группа включала приборы с высокоотражающим зеркальным покрытием на одной грани и естественным сколом на другой (HR-As). Вторая группа состояла из образцов с высо­ коотражающим зеркальным покрытием на одной грани и просветляющим покрытием на другой (HR-AR). В третью группу вошли ККЛ с высокоотражающим зеркальным покрытием на одной грани и частично отража-

Рис.1.  Схематичное изображение образцов ККЛ с оптическими диэлектрическими покрытиями на обеих гранях.

ющим покрытием на другой (HR-PHR). И, наконец, четвертая группа излучателей не содержала оптических покрытий ни на одной из граней (As-As).

В работе исследовались ККЛ с различными диэлектрическими зеркальными покрытиями Si – SiO2, нанесение которых осуществлялось методом электронно-луче­ вого испарения. Коэффициент отражения высокоотра­ жающих покрытий составлял 98 %, просветляющих покрытий – 12 % и частично отражающих покрытий – 37 %. Схематичное изображение образцов с указанными оптическими покрытиями на обеих гранях представлено на рис.1.

Далее кристаллы ККЛ монтировались на медный теплоотвод и исследовались в импульсном режиме генерации (частота следования импульсов 11 кГц, длительность импульса ~100 нс) при температуре теплоотвода

20 °С.

3. Результаты и их обсуждение

В данном эксперименте использовались только ди­ электрические оптические покрытия, что обусловлено технологическим­ удобством их нанесения. В качестве материала покрытий была выбрана пара Si – SiO2, которая продемонстрировала преимущества перед парой Si – Si3N4 при формировании высокоотражающих зеркал ККЛ [19]. Расчеты зеркальных покрытий для ККЛ осуществлялись методом рекуррентных матриц [23].

Наиболее очевидное влияние на выходную мощность оказывает нанесение высокоотражающего оптического покрытия на одну из граней кристалла ККЛ, при этом выходная оптическая мощность перераспределяется между указанными гранями. Если при отсутствии покрытий излучение в равной степени выходит через обе грани лазерного резонатора, то после нанесения высокоотражающего покрытия на одну из них практически все излучение выходит через другую грань. Это повышает полезную выходную оптическую мощность и понижает порог ге­ нерации.

На рис.2 приведены ВтАХ ККЛ с высокоотражающим покрытием на одной из граней (HR-As) и без покрытий (As-As) при измерении выходной оптической мощности с одной грани резонатора (длина волны излучения равна 4.5 мкм). Легко видеть, что использование высокоотражающего покрытия позволило снизить пороговый ток с 2.9 до 1.86 А и увеличить выходную оптическую мощность до 6 Вт. В этом эксперименте нанесение высокоотражающего покрытия привело к увеличению выходной оптической мощности на 88 % при том же значении тока накачки.

Картина несколько усложняется при нанесении покрытий одновременно на обе грани резонатора ККЛ. Рассмотрим случай, когда на заднюю грань резонатора

l = 4.5 мкм

Рис.2.  Ватт-амперные характеристики ККЛ без оптических покрытий (As-As) и с нанесенным высокоотражающим зеркальным покрытием (HR) на задней грани (HR-As).

нанесено высокоотражающее покрытие с коэффициентом отражения Rb ® 1, а на переднюю грань – другое покрытие с коэффициентом отражения Rf, отличным от Rb.

Проанализируем основные зависимости, описывающие выходные характеристики ККЛ [24, 25]:

Jth = Jtr + gaGw - 2gL1 ln (Rb Rf),

где P – выходная оптическая мощность; htr – дифференциальная эффективность лазерного перехода; Np – число каскадов; 'w – энергия фотона; q0 – элементарный заряд электрона; am – зеркальные потери; aw – волноводные потери; Ith – пороговый ток; L – длина резонатора; Rb и Rf – коэффициенты отражения заднего и переднего зеркала соответственно; Jth – пороговая плотность тока; Jtr – плотность тока прозрачности; g – коэффициент лазерного усиления; G – фактор оптического ограничения ак­ тивной области.

Видно, что при прочих равных условиях для ККЛ с фиксированным высокоотражающим задним зеркалом (Rb) увеличение коэффициента отражения переднего зеркала (Rf) будет приводить к снижению пороговой плотности тока, но в то же время и к снижению дифференциальной квантовой эффективности. Итоговое влияние указанных компонентов на выходную мощность будет зависеть и от других параметров ККЛ, поэтому нуждается в проверке для каждого конкретного случая. Коэф­ фициент отражения естественной грани составляет 27 % в исследуемом спектральном диапазоне. Следовательно­ , представляется целесообразным рассмотрение двух видов оптических покрытий передней грани, коэффициенты отражения которых не достигают и превышают указанное значение для естественной грани без покрытий.

В данной работе нами исследовано влияние вариации коэффициента отражения переднего зеркала на выходную мощность ККЛ с высокоотражающим покрытием на задней грани. В качестве образца сравнения выступал излучатель без покрытия на передней грани (HR-As). В двух других образцах ККЛ использовались оптические

покрытия передней грани с коэффициентами отражения несколько ниже (просветляющее покрытие) и выше (частично отражающее покрытие), чем у естественной передней грани образца сравнения. Такие образцы обозначены HR-AR и HR-PHR соответственно.

На рис.3 представлены мощностные характеристики ККЛ только с высокоотражающим покрытием на задней грани в сравнении с образцами, которые дополнительно имели просветляющее или частично отражающее покрытие на передней грани. Длина волны исследованных образцов составляла 4.5 мкм. Из рис.3 видно, что снижение коэффициента отражения на передней грани с 27 % до 12 % привело к увеличению порогового тока в 1.4 раза. При этом значение порогового тока все еще не превышало соответствующее значение для прибора без оптических покрытий (см. рис.2). Вместе с тем наклон ВтАХ увеличился в 1.25 раз, что позволило получить выигрыш в выходной мощности при больших токах накачки. На­ несение же частично отражающего покрытия закономерно привело к снижению порогового тока. Однако в данном эксперименте этот сдвиг оказался меньше ожидаемого, что, возможно, связано с отклонениями в технологии нанесения покрытия и отличием коэффициента отражения полученного покрытия от расчетного значения. Тем не менее увеличение коэффициента отражения покрытия передней грани заметно сказалось на наклоне ВтАХ, который уменьшился на 10 % при одновременном снижении порогового тока. Гипотетически, использование такой комбинации покрытий может дать выигрыш в выходной мощности при малых токах накачки по сравнению с другими типами покрытий, когда последние не позволяют преодолеть даже порог генерации. В рамках проведен­ ного эксперимента этот выигрыш оказался весьма незначительным (см. рис.3).

Проведенные исследования показывают, что нанесение оптических покрытий на обе грани резонатора ККЛ позволяет повысить эффективность его работы относительно ККЛ только с одним высокоотражающим зеркалом. При этом выбор конкретного типа покрытий будет зависеть от желаемого уровня выходной мощности при заданном токе накачки и требует учета как длины резонатора прибора, так и его внутренних параметров.

Рис.3.  Ватт-амперные характеристики ККЛ с нанесенным высокоотражающим зеркальным покрытием (Rb = 98 %) на задней грани при вариации оптических покрытий на передней грани:

1 – просветляющее покрытие (Rf = 12 %); 2 – без оптического покрытия (Rf = 27 %); 3 – частично отражающее покрытие (Rf = 37 %).

4. Заключение

Исследованы квантовые каскадные лазеры с высокоотражающим зеркалом на задней грани и вариацией оп­ тическихпокрытийнапереднейграни.Экспериментально показано, что использование просветляющего переднего зеркала привело к увеличению порогового тока в 1.4 раза при одновременном повышении наклона ВтАХ в 1.25 раз. Это позволило добиться более высокой выходной мощности при больших токах накачки. Использование же частично отражающего переднего зеркала позволило несколько снизить пороговый ток, но при снижении наклона ВтАХ. Такая комбинация зеркальных покрытий может позволить реализовать более высокую выходную мощность при малых рабочих токах.

Разработка зеркальных покрытий выполнена в рамках программы повышения конкурентоспособности НИЯУ МИФИ (проект № 02.а03.21.0005). Эксперимен­ тальные исследования ККЛ проведены при поддержке Российского научного фонда (проект № 21-72-30020).

1.Rakic' A.D., Taimre T., Lim Y.L., et al. Appl. Phys. Rev., 6, 021320 (2019).

2.Isensee K., Kröger-Lui N., Petrich W. Analyst, 143, 5888 (2018).

3.Абрамов П.И., Бударин А.С., Кузнецов Е.В., Скворцов Л.А.

ЖПС, 87, 515 (2020) [J. Appl. Spectrosc., 87, 515 (2020)]

4.Вакс В.., Домрачева Е.Г., Собакинская Е.А., Черяева М.Б.

УФН, 184, 739 (2014).

5.Pang X., Ozolins O., Zhang L., Schatz R., et al. Phys. Status Solidi, 218, 2000407 (2020).

6.Yang Q., Manz C., Bronner Q., et al. Appl. Phys. Lett., 90, 121134 (2007).

7.Bandyopadhyay N., Bai Y., Tsao S., et al. Appl. Phys. Lett., 101, 241110 (2012).

8.Ulbrich N., Scarpa G., Sigl A., Roßkopf J., Bohm G., Abstreiter G., Amann M.-C. Electron. Lett., 37, 1341 (2001).

9.Scarpa G., Ulbrich N., Roßkopf J., Sigl A., Bohm G., Abstreiter G., Amann M.-C. IEE Proc.: Optoelectron., 149, 201 (2002).

10.Gmachl C., Sergent A.M., Tredicucci A., Capasso F., et al. IEEE Photonics Technol. Lett., 11, 1369 (1999).

11.Farmer C.D., Stanley C.R., Ironside C.N., Garcia M. Electron. Lett., 38, 1443 (2002).

12.Page H., Collot P., Rossi A., Ortiz V., Sirtori C. Semicond. Sci. Technol., 17, 1312 (2002).

13.Slivken S., Yu J.S., Evans A., David J., Doris L., Razeghi M. IEEE Photonics Technol. Lett., 16, 744 (2004).

14.Maulini R., Lyakh A., Tsekoun A., Go R., Pflügl C., Diehl L., Capasso F., Kumar C., Patel N. Appl. Phys. Lett., 95, 151112 (2009).

15.Matsuoka Y., Semtsiv M.P., Peters S., Masselink W.T. Opt. Lett., 43, 4723 (2018).

16.Zhou W., Lu Q-Y., Wu D-H., Slivken S., Razeghi M. Opt. Express, 27, 15776 (2019).

17.Bai Y., Darvish S.R., Bandyopadhyay N., Slivken S., Razeghi M. J. Appl. Phys., 109, 053103 (2011).

18.Jia Z-W., Wang L-J., Zhang J-C., Liu F-Q., Zhou Y-H., et al.

Nanoscale Res. Lett., 12, 281 (2017).

19.Подгаецкий К.А., Лобинцов А.В., Данилов А.И., Иванов А.В., Ладугин М.А., Мармалюк А.А., Дюделев В.В., Михайлов Д.А., Чистяков Д.В., Бабичев А.В., Савченко Г.М., Лютецкий А.В., Слипченко С.О., Пихтин Н.А., Гладышев А.Г., Новиков И.И., Карачинский Л.Я., Егоров А.Ю., Соколовский Г.С. Квантовая электроника, 53 (5), 370 (2023).

20.Подгаецкий К.А., Лобинцов А.В., Данилов А.И., Иванов А.В., Ладугин М.А., Мармалюк А.А., Кузнецов Е.В., Дюделев В.В., Михайлов Д.А., Чистяков Д.В., Бабичев А.В., Когновицкая Е.А., Лютецкий А.В., Слипченко С.О., Пихтин Н.А., Гладышев А.Г., Новиков И.И., Карачинский Л.Я., Егоров А.Ю., Соко­ ловский Г.С. Квантовая электроника, 53 (8), 641 (2023).

21.Бабичев А.В., Гладышев А.Г., Дюделев В.В. и др. Письма в ЖТФ, 46, 35 (2020) [Tech. Phys. Lett., 46, 442 (2020)].

22.Дюделев В.В., Михайлов Д.А., Бабичев А.В. и др. Квантовая электроника, 50, 720 (2020) [Quantum Electron., 50, 720 (2020)].

23.Furman Sh.A., Tikhonravov A.V. Basics of Optics of Multilayer Systems (Gif-sur-Yvette, France: Frontieres, 2002).

24.Faist J. Appl. Phys. Lett., 90, 253512 (2007).

25.Yu J.S., Slivken S., Evans A.J. Razeghi M. IEEE J. Quantum Electron., 44, 747 (2008).