Инжекционные гетеролаэеры

    Инжекционный лазер — одно из лучших прикладных достижений физики твердого тела последнего десятилетия. В этом приборе впервые удалось достичь прямого преобразования электрической энергии в энергию когерентного светового излучения. Высокий КПД, простота модуляции вплоть до частот в сотни мегагерц, миниатюрность, большая долговечность и малая потребляемая мощность — эти качества открывали новому прибору широкие перспективы применения. К исследованию свойств инжекционных лазеров, в особенности изготовленных на основе арсенида галлия, как наиболее высококачественных и практически ценных обратились физики во многих лабораториях мира. В течение 1963—1966 гг. были опубликованы сотни работ.

     К сожалению, радужные перспективы быстро померкли, и область применения инжекционных лазеров реально стала быстро сужаться. Чрезвычайно большая величина пороговой плотности тока, требуемая для начала генерации в приборе, и сильная температурная зависимость ее вынудили применять громоздкие системы охлаждения, привели к необходимости использовать питание короткими импульсами. Высокий КПД оказался возможным только в режиме генерации: внешний квантовый выход составляет доли процента при плотности тока ниже пороговой и резко возрастает лишь после начала генерации. Вследствие высокой плотности порогового тока (Упор⁼ 25-10³ а/см² - рекордный результат для лазеров из GaAs при комнатной температуре) рабочая область токов не может существенно превышать порог: при высоком дифференциальном квантовом выходе суммарный квантовый выход не превышал 2—3% при 300 °К и не было видно путей его повышения. По той же причине из-за большой плотности порогового тока долговечность прибора оказалась низкой: через несколько часов работы начиналась деградация рабочих параметров.

    Физические причины этих недостатков можно понять из рассмотрения простейшей схемы работы прибора (рис. 5). Для достижения инверсной заселенности необходимо, чтобы расхождение квазиуровней Ферми E_Fn и E_Fp было больше энергии кванта генерируемого излучения. Поэтому в лазере на основе обычного р—n перехода необходимо использовать «вырожденный» переход, когда степень легирования р- и n-частей перехода настолько велика, что уровень Ферми находится в разрешенных зонах.

Один из основных механизмов внутренних потерь квантового генератора связан с поглощением светового излучения в активной области на свободных носителях и дефектах внутри нее. Необходимость сильного легирования приводит к высокой плотности равновесных носителей и большой концентрации дефектов в активной области, а следовательно, и к значительным потерям.

      Концентрация инжектированных р—п переходом электронов и дырок (в арсениде галлия вследствие разницы в эффективных массах электронов и дырок имеет место в симметричном переходе преимущественная инжекция в p-область) плавно спадает по обе стороны от перехода, так что область рекомбинации и область инверсной населенности не совпадают. Таким образом, имеют место дополнительные рекомбинационные потери в пассивных областях.

    Оптическая неоднородность среды связана только с распределением примесей и концентрацией инжектированных носителей. Поэтому заметную роль играют дифракционные потери светового излучения из активной области в пассивную. Благодаря большим потерям требуется значительный коэффициент усиления для их компенсации и достижения генерации, т. е. высокая пороговая плотность тока. Из-за наличия неустранимых в принципе потерь внешний квантовый выход заметно ниже внутреннего, и, таким образом, принципиально невозможно достижение квантового выхода, близкого к 100% (даже при низких температурах).

    Инверсия населенности достигается чисто инжекционным способом (двойная инжекция), и для ее достижения не требуется высокого уровня легирования и тем более вырождения. Все это приводит к резкому снижению потерь и пороговой плотности тока.

    В такой структуре внешний и внутренний квантовый выходы практически совпадают и имеется принципиальная возможность получения квантового выхода, близкого к 100%.

В настоящее время созданы инжекционные гетеролазеры с пороговой плотностью тока ' 500—1000 а/м² при 300° К. У этих гетеролазеров внешняя дифференциальная квантовая эффективность достигает 80%, а полный КПД — 25%.

    Низкая пороговая плотность тока обеспечила осуществление непрерывного режима работы при комнатной температуре, что было невоз­можно при использовании инжекционных лазе­ров на обычных р—п переходах.

Энергия когерентного излучения определяется составом твердых растворов Al^Ga^As в среднем слое и может быть задана в диапазоне длин волн 6900—9000 А.

На фотографии (рис. 7) показана картина излучения одного из лазеров, имеющего длину волны когерентного света 7000 А при 300°К. Спонтанное излучение, распространяющееся изотропно, глубоко проникает в прозрачные для него эмиттеры, и узкая яркая полоса когерентного света четко выделяется на его фоне. Благодаря равномерной генерации в активной области расходимость пучка составляет величину менее 0,5° в плоскости, параллельной переходу. Долговечность гетеролазеров в непрерывном режиме работы при комнатной температуре составляет в настоящее время 10 тыс. ч.

      Для сравнения заметим, что лазеры с обычным р—п переходом в арсениде галлия имел и при 300° К пороговый ток (30-—50)-10³ а/см², дифференциальную квантовую эффективность 10-—15% и полный КПД 1—2%.

    Таким образом, создание инжекционных лазеров с гетеропереходами в системе AlAs-—GaAs позволило значительно снизить порог генерации и обеспечить надежную работу инжекционных полупроводниковых квантовых генераторов при комнатной температуре. В связи с этим исключительную актуальность приобрела задача совмещения таких неоспоримых достоинств инжекционных гетеролазеров, как высокий КПД, малые габариты, быстродействие с традиционной для лазеров высокой направленностью излучения. Для этого необходимо было отказаться от обычного вывода излучения через торец волноводного слоя и осуществить его через плоскость, параллельную этому слою.

     Новый подход к решению указанной задачи был намечен, когда для получения узконаправленного излучения было предложено использовать дифракционную решетку, нанесенную на поверхность волноводного слоя.

При шаге решетки, близком к длине волны света, в веществе возможен вывод большей части генерируемой световой мощности перпендикулярно волноводному слою.

При этом существенно увеличивается апертура   излучающей поверхности (в обычном гетеролазере или гомо р—п лазере вследствие малой толщины активной области расходимость в плоскости, перпендикулярной волноводному слою, составляет десятки градусов).

    Впервые экспериментально возможность создания полупроводникового лазера с малой расходимостью излучения была продемонстрирована в условиях оптической накачки, где вывод излучения через плоскость, параллельную активному слою, был осуществлен за счет взаимодействия волноводной моды с дифракционной решеткой на поверхности волновода.  

     Направленность когерентного излучения определялась уже не величиной апертуры, а полушириной спектральной линии и для многомодовой генерации составляла величину около 30 минут. Для получения аналогичного эффекта в случае инжекционной накачки была разработана специально конструкция гетеролазера.

    В средней части лазера со стороны p -эмиттера с помощью контролируемого электрохимическо­го травления было протравлено окно до волно­водного слоя (рис. 8). На поверхность волновода методом интерференционного фототравления была нанесена дифракционная решетка с шагом около 0,22 мкм.

    Несмотря на наличие пассивной области в резо­наторе пороговая плотность тока в изображенной на рис. 8 структуре незначительно превышала значение пороговой плотности для обычных гетеролазеров, что свидетельствовало о малом уровне потерь, вносимых этой областью. Указанный факт является следствием эффекта сужения ширины запрещенной зоны в областях с высоким уровнем инжекции, обеспечивающего смещение линии генерации в область энергий, меньших ширины запрещенной зоны материала пассивной части волновода.

Свет, распространяющийся в пассивной части волновода, выводился с помощью дифракционной решетки, нанесенной на его поверхности.

     Расходимость излучения в плоскости, перпенди­кулярной волноводному слою и решетке, изме­ренная в наиболее интенсивном луче, составляла 30 мин и определялась спектральной шириной линии генерации аналогично случаю оптической накачки.

Таким образом, принципиально показана возможность создания инжекционных низкопороговых лазеров с высокой направленностью излучения.

Дифракционная решетка с шагом, равным или кратным длине волны света в веществе, может служить плоским резонатором благодаря отражению световой моды в такой решетке, где выполнены условия Вульфа-Брегга. В последнем случае инжекционный лазер с распределенной обратной связью, как его называют, не требует наличия сколотых граней (резонатор Фабри-Перо). Такие структуры открывают новые перспективы в интегральной оптике.