0641

1. Введение

В последнее время стремительное развитие получили квантовые каскадные лазеры (ККЛ) – эффективные и компактные источники когерентного излучения в среднем ИК диапазоне с широкими возможностями управления спектральными характеристиками, что привело к их востребованности в молекулярной спектроскопии, биологии, медицине, телекоммуникациях и т. д. [1 – 3]. Даль­ нейшее расширение областей применения ККЛ во многом связывается с повышением выходной оптической мощности таких излучателей.

Существует целый ряд подходов, способствующих повышению выходной оптической мощности полупро­ водниковых лазеров в целом и ККЛ в частности. Одним из самых простых подходов является нанесение высокоотражающего оптического покрытия на одну из граней кристалла ККЛ, в результате чего выходная оптическая

К.А.Подгаецкий,А.В.Лобинцов,А.И.Данилов,А.В.Иванов,М.А.Ладугин,

Е.В.Кузнецов. АО «НИИ "Полюс" им. М.Ф.Стельмаха», Росcия, 117342 Москва, ул. Введенского­ , 3, корп.1;

e-mail: podgaetskykonstantin@yandex.ru

А.А.Мармалюк. АО «НИИ «Полюс» им. М.Ф.Стельмаха», Росcия, 117342 Москва, ул. Введенского­ , 3, корп.1; Национальный исследовательскийядерныйуниверситет­ «МИФИ», Россия, 115409 Москва, 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, А.В.Лютецкий, С.О.Слипченко, Н.А.Пихтин, Г.С.Соколовский.

Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе, Россия, 194021 С.- Петербург, Политехническая ул., 26

А.В.Бабичев, И.И.Новиков, Л.Я.Карачинский. ООО «Коннектор Оптикс», 194292 С.-Петербург, ул. Домостроительная, 16, литер Б; Санкт-Петербургский национальный универ­ ситет­ информационных технологий, механики и оптики, Россия, 197101 С.-Петербург, Кронверкский просп., 49 А.Г.Гладышев. ООО «Коннектор Оптикс», 194292 С.-Петербург, ул. Домостроительная, 16, литер Б

А.Ю.Егоров. ООО «Коннектор Оптикс», 194292 С.-Петербург, ул. Домостроительная, 16, литер Б; Санкт-Петербургский национальный исследовательский академический университет им. Ж.И.Ал­ фёрова РАН, Россия, 194021 С.-Петербург, ул. Хлопина, 8, корп. 3, литер А

Поступила в редакцию 13 июля 2023 г.

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 генерации.

Среди высокоотражающих оптических покрытий ККЛ выделяют два основных типа: диэлектрические и металлодиэлектрические зеркала. В диэлектрических зеркалах лазерное излучение отражается от брэгговского зеркала, состоящего из чередующихся слоев диэлектриков с высоким и низким коэффициентами преломления. Так, в работах [4 – 7] описывается успешное применение диэлектрических покрытий Si – SiO2, Ge – SiO2 и Si – Al2O3

для увеличения выходной оптической мощности ККЛ. Технология формирования таких зеркал хорошо развита и широко применяется в электронной и оптической промышленности. К основным недостаткам диэлектрических зеркал для ККЛ относят необходимость подбора материалов с низким коэффициентом поглощения в вы­ бранном­ спектральном диапазоне, значительную толщину наносимых слоев и связанные с этим трудности формирования высококачественного покрытия. В значительной мере указанных недостатков лишены металлические зеркала, в которых лазерное излучение отражается от слоя металла. Для металлов характерен высокий коэффициент отражения в среднем ИК диапазоне, благодаря чему металлические зеркала особенно востребованы для ККЛ. Такие покрытия могут наноситься непосредственно на грань резонатора [7, 8], но на практике их, как правило, наносят на грань кристалла ККЛ с использованием промежуточного слоя диэлектрика­ (SiO2, Si3N4, Al2O3, Y2O3), обеспечивающего электрическую изоляцию полупроводниковых слоев гетероструктуры от проводящего слоя металлического зеркала. В качестве материала такого зеркала наибольшее распространение получило золото. Для повышения адгезии слоя Au к диэлектрику зачастую используются промежуточные слои Ti или Cr. Исследования показали, что металлодиэлектрические зеркала Al2O3 – Au [6, 7], SiO2 – Au [8], Al2O3 – Ti – Au [9, 10], Y2O3 – Ti – Au [11] и YF3 – Cr – Au [12] позволяют эффек-

тивно увеличивать выходную оптическую мощность ККЛ. В ряде случаев слой металла в этих зеркалах сверху дополнительно покрывается слоем диэлектрика, который выполняет защитную функцию [10, 13].

Как правило, в указанных исследованиях использовалось какое-то одно зеркальное покрытие ККЛ. Настоя­ щая работа посвящена рассмотрению и сравнительному изучению металлодиэлектрических зеркал Al2O3 –Ti – Au и SiO2 – Ti – Au для ККЛ спектрального диапазона 4 – 5 мкм.

2. Экспериментальная часть

Нами исследовались ККЛ на основе многослойной квантово-размерной гетероструктуры InGaAs/AlInAs/InP, выращенной методом молекулярно-лучевой эпитаксии [14, 15]. Из полученных структур формировались кристаллы ККЛ в мезаполосковой геометрии. Ширина мезаполоскового контакта составляла 40 мкм, а длина резонатора – 4 мм. Часть кристаллов ККЛ оставалась без покрытий на гранях резонатора, тогда как на грани ос­ тальных кристаллов наносились металлодиэлектриче-

ские зеркальные покрытия SiO2 – Ti – Au и Al2O3 – Ti – Au.

Во время формирования зеркального покрытия сначала осаждался подслой диэлектрика (SiO2 или Al2O3) методом электронно-лучевого испарения, а затем наносились металлические пленки методом магнетронного напыления.

Далее все кристаллы ККЛ монтировались на медный теплоотвод и изучались их характеристики в импульсном режиме генерации (частота следования импульсов 11 кГц, длительность импульса ~100 нс) при температуре теплоотвода 20 °С.

3. Результаты и их обсуждение

Расчеты зеркальных металлодиэлектрических покрытий для ККЛ проводились методом рекуррентных матриц [16]. Первый слой в составе многослойного металлодиэлектрического зеркального покрытия защищает от короткого замыкания верхний и нижний контакты ККЛ и выполнен из диэлектрика. В работах [6 – 7, 9 – 12] толщина такого подслоя варьируется от 100 до 850 нм. На рис.1 представлена расчетная зависимость коэффициента отражения металлодиэлектрического зеркала от толщины ди­

Рис.1.  Расчетные зависимости коэффициента отражения металлодиэлектрического зеркала с фиксированными толщинами подслоев титана и золота от толщины диэлектрического слоя на длине волны 4.5 мкм.

Рис.2.  Расчетные зависимости коэффициента отражения металлодиэлектрического зеркала с фиксированной толщиной слоев титана и диэлектрика (200 нм) от толщины слоя золота на длине волны

4.5 мкм.

электрического слоя на длине волны излучения 4.5 мкм. Видно, что толщина последнего заметно влияет на величину коэффициента отражения при использовании тонких слоев золота (10 нм). Переход к более толстым слоям золота (50 нм) обеспечивает высокий уровень коэффициента отражения (~98 %), который практически не зависит от параметров других подслоев, составляющих металлодиэлектрическое зеркало. Важно отметить, что вид ди­ электрического слоя (SiO2 или Al2O3) в пределах используемых на практике толщин металлических слоев практически не влияет на величину коэффициента отражения металлодиэлектрического зеркала.

Вариации толщины подслоя титана также способны повлиять на величину коэффициента отражения рассматриваемого металлодиэлектрического зеркала. Действи­ тельно­ , из рис.2 видно, что расчетный коэффициент отражения на длине волны 4.5 мкм быстро растет с увеличением толщины слоя золота и при толщине 15 нм начинает превышать 90 % при фиксированном значении толщины диэлектрического слоя, равном 200 нм; причем введение тонкого адгезионного слоя титана приводит к заметному увеличению коэффициента отражения при небольших толщинах слоя золота (не более 10 нм). При толщинах золота более 20 нм наличие подслоя титана практически не влияет на коэффициент отражения металлодиэлектрического зеркала.

Рост коэффициента отражения при введении подслоя Ti связан с увеличением общей толщины металлического покрытия при той же толщине слоя Au, что наглядно продемонстрировано на рис.3. Здесь зависимости коэффициента отражения построены как функция общей толщины металлических покрытий, входящих в состав металлодиэлектрического зеркала. Видно, что коэффициент отражения только от слоя Au без подслоя Ti (желтая кривая) существенно превышает коэффициент отражения только от слоя Ti без слоя Au (черная кривая). Про­ межуточные варианты наблюдаются для конфигураций металлодиэлектрического зеркала, содержащего и подслой Ti, и слой Au. В этом случае по мере увеличения толщины металлизации ход кривой сначала задается отражением от комбинации диэлектрик/Ti, а по достижении заданной толщины титанового слоя вступает в работу комбинация диэлектрик/Ti/Au с дальнейшим увеличени-

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

13.Schmitt P., Felde N., Döhring T., et al. Opt. Mater. Express, 12, 545 (2022).

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

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

16.Furman Sh.A., Tikhonravov A.V. Basics of Optics of Multilayer Systems (Gif-sur-Yvette, France: Editions Frontieres, 1992).