Лекции по гетеропереходам / курс лекций физика и технология полупроводниковых наноструктур / 05_ДГС и РОДГС лазеры

Модовое усиление:

+d / 2

G = ∫ ε( y)2 g( y)dy

−d / 2

ε( y)2 квадрат вектора напряженности электрического поля оптической

+∞

моды (нормированный на условие ∫ ε( y)2 dy =1)

−+∞

g(y) – зависящее от координаты материальное усиление в активной области (вследствие зависимости от координаты концентрации носителей) d – ширина активной области (волновода)

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 5, стр. 11

Как мы видели, при смещениях, которые близки к достижению инверсии заселенности (∆F~EG), выполняется условие плоских зон.

Таким образом, концентрация носителей и модовое усиление в активной области не зависит от координаты (за исключением узких областей у гетерограниц)

+d / 2

G ≈ g ∫ ε( y)2 dy = Γ(d)g

−d / 2

где Г(d) – фактор оптического ограничения, определяемый геометрией волновода (его шириной и скачком показателя преломления)

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 5, стр. 12

Зависимость материального усиления от концентрации носителей для объемной активной области может быть хорошо аппроксимирована линейной:

g = dgdn (n −n0 )

где dgdn - дифференциальное усиление по отношению к концентрации Учитывая, что J = qnd /τ , модовое усиление ДГС лазера может быть записано как

GDH ≈ dgdn Γ(d)(n −n0 )= dge τdn Γ(dd) J − enτ0d

Член dge τdn Γ(dd) играет роль дифференциального усиления по отношению к плотности тока

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 5, стр. 13

Фактор оптического ограничения близок к 1 при достаточно больших толщинах волновода и стремится к 0 при малых ширинах волновода вследствие делокализации волны (проникновения в эмиттеры).

Приведенный фактор оптического ограничения Г(d)/d, а следовательно и дифференциальное усиление ДГС лазера резко падают при уменьшении ширины волновода (активной области) ниже некоторого предельного значения (~0.2 мкм).

Таким образом, снижение ширины активной области ниже ~0.1 мкм, хотя и приводит к уменьшению плотности тока прозрачности, не приводит к снижению пороговой плотности тока при типичном уровне потерь вследствие резкого уменьшения дифференциального усиления.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 5, стр. 16

Схематический вид зависимости модового усиления от плотности тока накачки для ДГС лазеров с разной шириной активной области.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 5, стр. 17

РО ДГС лазер

Успехи эпитаксиальных технологий позволили создавать совершенные полупроводниковые слои субмикронной толщины. Однако, сама концепция ДГС лазера не позволяет добиться улучшения пороговой плотности тока при уменьшении толщины активной области.

Главный недостаток ДГС лазера – резкое снижение фактора оптического ограничения в тонких волноводах.

Гамма-фактор снижается из-за:

1.Геометрическое уменьшение волновода (пределы итегрирования)

2.Перераспределение оптической моды (проникновение в эмиттеры)

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 5, стр. 18

Если заменить часть волновода вблизи эмиттерных слоев более широкозонным материалом профиль моды изменится слабо. С другой стороны, этот широкозонный волновод будет почти свободен от носителей заряда, и таким образом не будет давать вклад в пороговую плотность тока.

Концепция РО ДГС лазера – раздельное ограничение носителей заряда и световой волны (пятислойная конструкция)

широкозонные эмиттеры для ограничения моды в волноводе; более узкозонная часть волновода (собственно активная область) для локализации носителей заряда

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 5, стр. 19