РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ

(19) RU (11) 2 856 305 (13) C1 (51) МПК G01J 1/28 (2006.01)

(54) Способ определения предельного оптического усиления полупроводниковой квантово-размерной активной среды

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к исследованию полупроводникового квантово-размерного материала (квантовые ямы, квантовые проволоки, квантовые точки), который может быть использован в качестве активной среды лазеров, а также суперлюминесцентных диодов, оптических усилителей и других оптоэлектронных устройств, основанных на использовании эффекта усиления света подобной средой.

Величина оптического усиления является важной характеристикой активной среды. Например, в лазерах для возникновения лазерной генерации требуется оптическое усиление, уравновешивающее оптические потери. Оптическое усиление полупроводниковой активной среды возникает при увеличении концентрации заполняющих ее неравновесных носителей заряда. Особенностью квантово-размерных активных сред, к которым относятся двумерные квантовые ямы, одномерные квантовые проволоки или нульмерные квантовые точки, а также различные комбинации и массивы этих объектов, является существование предельного, то есть наибольшего достижимого оптического усиления, которое соответствует полному заполнению квантовой подзоны (уровня размерного квантования) носителями заряда.

Определение величины предельно достижимого оптического усиления представляет особый практический интерес, поскольку устанавливает максимально возможные оптические потери, при которых лазерная генерация все еще может быть реализована.

Концентрация неравновесных носителей заряда, заполняющих полупроводниковую квантово-размерную активную среду, не может быть определена из эксперимента непосредственно. Косвенно, о концентрации носителей заряда можно судить по уровню внешней накачки активной среды, в качестве которой может выступать плотность тока инжекции, приложенное напряжение, плотность мощности оптического возбуждения или иные параметры, соответствующие особенностям экспериментального образца.

Известен способ измерения усиления, основанный на измерении величины мощности когерентного излучения, прошедшего через активную среду, в двух последовательных измерениях, выполняемых при исключении отдельных участков активной среды, приведенный в патенте (SU 731505, МПК H01S 3/00, 30.04.1980). Также известен способ измерения усиления, основанный на анализе полуширины резонансных пиков в спектре пропускания резонатора или анализе времени затухания излучения в резонаторе (RU 141306, МПК G01C 19/68, 27.05.2014; RU 152947, МПК G01M 11/00, H01S 3/083, G01C 19/68, 27.06.2015). Результатом измерений является определение величины разности потерь и усиления в лазерном резонаторе с активной (усиливающей) средой и величины потерь в резонаторе без активной среды.

Недостатком указанных способов является то, что они могут быть применены для лазерных резонаторов, которые состоят из дискретных элементов, в частности, содержат активную среду в виде отдельного кристалла, участка волокна и т.д., которые можно удалить из лазерного резонатора, провести измерения потерь, а затем вернуть в резонатор. Такие манипуляции невозможны в случае полупроводникового лазерного резонатора, в котором активная область является элементом лазерной гетероструктуры, скрытым внутри других ее слоев, таких как волноводный слой, эмиттерные слои и другие слои.

Известны различные способы измерения оптического усиления полупроводниковой активной среды. Для полупроводниковых лазеров с резонатором Фабри-Перо полосковой конструкции с плоскопараллельными гранями, полученными скалыванием полупроводниковой пластины, существует простой способ определения оптического усиления по величине потерь на вывод излучения из резонатора α_m, вычисляемых с помощью известной формулы (1):

(1)

где - длина полоскового лазерного резонатора от зеркала до зеркала, и - коэффициенты отражения первого и второго зеркал. Измерения, выполненные с использованием набора полосковых лазеров с резонатором Фабри-Перо различной длины, позволяют установить связь между величиной плотности тока на пороге лазерной генерации и оптическими потерями на вывод излучения.

Известен способ определения спектра оптического усиления (Henry C. et al. Absorption, emission, and gain spectra of 1.3 μm InGaAsP quaternary lasers // IEEE Journal of Quantum Electronics. - 2003. - V.19. - №6. - P.941-946), основанный на измерении спектра спонтанного излучения и последующем расчете спектра усиления. Известен способ определения оптического усиления (Hakki B.W., Paoli T.L. Gain spectra in GaAs double- heterostructure injection lasers // Journal of Applied Physics. - 1975. - V.46. - №3. - P.1299-1306), получивший название метода Хакки-Паоли. Способ основан на использовании определенного соотношения между оптическим усилением и амплитудой модуляции интенсивности усиленного спонтанного излучения активной среды. Амплитуда модуляции измеряется экспериментально. Известен способ определения усиления (Cassidy D.T. Technique for measurement of the gain spectra of semiconductor diode lasers // Journal of Applied Physics. - 1984. - V.56. - №11. - P.3096-3099), в основе которого лежит известная связь между оптическим усилением с одной стороны и экспериментально измеряемым отношением интегральной интенсивности усиленного спонтанного излучения в пределах между двумя максимумами к минимуму интенсивности, с другой стороны. Известен способ определения усиления (Vanzi M. et al. Extended modal gain measurement in DFB laser diodes // IEEE Photonics Technology Letters. - 2016. - V.29. - №2. - P.197-200), основанный на использовании соотношения между усилением и измеряемой разницей между падением напряжения на лазерном диоде и энергией излучаемых фотонов. Известен способ определения спектра усиления (Thomson J.D. et al. Determination of single-pass optical gain and internal loss using a multisection device // Applied Physics Letters. - 1999. - V.75. - №17. - P.2527-2529), основанный на использовании соотношения между усилением с одной стороны и отношением интенсивности усиленного спонтанного излучения, выходящего из двух тестируемых образцов различной длины при одинаковом уровне их накачки. Перечисленные способы позволяют определить спектр усиления при различных уровнях плотности тока накачки ниже порога лазерной генерации.

Ни один из известных способов определения оптического усиления активной среды не позволяют экспериментально установить предельное оптическое усиление. Практически применяемым способом оценки величины предельного оптического усиления является аппроксимация набора экспериментальных значений оптического усиления при различных уровнях накачки с помощью какого-либо теоретически обоснованного или эмпирического выражения, в котором предельное оптическое усиление выступает в качестве подгоночного параметра. Примеры использования указанного способа описаны, например, в известных работах (Salhi A. et al. High-modal gain 1300-nm In(Ga)As-GaAs quantum-dot lasers //IEEE Photonics Technology Letters. - 2006. - V.18. - №16. - P.735-1737.; Gordeev N. Y. et al. Material gain of InGaAs/GaAs quantum well-dots //Semiconductor Science and Technology. - 2020. - V.36. - №1. - P.015008). В известных работах для аппроксимации зависимости оптического усиления на пороге генерации от величины плотности тока накачки на пороге генерации используется выражение (2):

, (2)

где , и параметры аппроксимации, из которых последний представляет собой искомое значение предельного оптического усиления.

Недостатком описанного способа определения предельного оптического усиления является то, что на уровень накачки, требуемый для достижения некоторого оптического усиления, влияет темп безызлучательной рекомбинации - чем выше темп безызлучательной рекомбинации, тем выше требуется уровень накачки для достижения оптического усиления. При этом, темп безызлучательной рекомбинации может отличаться от образца к образцу, даже если набор образцов характеризуется номинально идентичной активной средой. Причина заключается в неконтролируемом внесении дефектов в полупроводниковую структуру в процессе ее синтеза или на этапе изготовления приборных структур. Другим недостатком способа является то обстоятельство, что значение предельного оптического усиления как подгоночного параметра существенно зависит от выбранной модели, использованной для экстраполяции экспериментальных данных на бесконечность (при бесконечно большом уровне накачки).

Технической задачей настоящего изобретения является разработка свободного от указанных недостатков и простого в реализации способа определения предельного оптического усиления активной среды.

Технический результат заключается в определении величины предельного оптического усиления активной среды независимо от темпа безызлучательной рекомбинации и выбора модели, устанавливающей взаимосвязь между оптическим усилением и уровнем накачки.

Поставленная задача решается с помощью описываемого в настоящем изобретении способа, в основе которого лежит тот факт, что для квантово-размерной активной среды существует специфическая взаимосвязь между оптическим усилением на пороге лазерной генерации и энергией излучаемых лазерных фотонов, не зависящая от темпа безызлучательной рекомбинации носителей заряд, при этом чем больше величина оптического усиления, тем ближе энергия фотонов к энергии, соответствующей максимуму плотности состояний активной среды.

Технический результат изобретения достигается за счет того, что, во-первых, устраняется невоспроизводимость результатов измерений уровня накачки, вызванная варьированием темпа безызлучательной рекомбинации от образца к образцу. Во-вторых, энергия, соответствующая максимуму плотности состояний активной среды, может быть с достаточной точностью определена экспериментально, что повышает достоверность экстраполяции.

Сущность предлагаемого способа определения предельного оптического усиления полупроводниковой квантово-размерной активной среды заключается в том, что способ включает установление зависимости величины усиления на пороге лазерной генерации от энергии излучаемых лазерных фотонов и экстраполяцию этой зависимости вплоть до энергии, соответствующей максимуму плотности состояний упомянутой активной среды. В одном варианте для установления зависимости величины усиления на пороге лазерной генерации от энергии излучаемых лазерных фотонов используется набор полосковых лазеров с резонатором Фабри-Перо различной длины со сколотыми зеркалами. В другом варианте для установления зависимости величины усиления на пороге лазерной генерации от энергии излучаемых лазерных фотонов используется набор спектров усиления, определенных при различном уровне накачки активной среды, при этом за величину оптического усиления и энергии фотонов принимаются, соответственно, усиление и энергия фотонов, отвечающие максимуму спектра усиления для каждого конкретного уровня накачки. При этом полупроводниковая квантово-размерная активная среда может представлять собой массив полупроводниковых квантовых точек. Энергия, соответствующая максимуму плотности состояний, может определяться с помощью измерения спектра фототока активной среды. Для экстраполяции зависимости энергии излучаемых лазерных фотонов от величины усиления на пороге лазерной генерации в пределе больших энергий может быть использована линейная функция.

Таким образом, способ включает определение каким-либо из известных способов набора различных значений оптического усиления на пороге лазерной генерации и соответствующего каждому значению усиления набора значений энергии лазерных фотонов с последующей экстраполяцией полученной экспериментальной зависимости вплоть до энергии, соответствующей максимуму плотности состояний исследуемой квантово-размерной активной среды. Полученное с помощью экстраполяции значение усиления и есть предельное оптическое усиление активной среды.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения.

Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежами, где:

- на фиг. 1 проиллюстрирован один вариант реализации заявленного способа, отличающийся тем, что для его реализации используется набор полосковых лазеров с резонатором Фабри-Перо различной длины со сколотыми зеркалами;

- на фиг. 2 проиллюстрирован другой вариант реализации заявленного способа, отличающийся тем, что для его реализации используется набор спектров усиления, определенных при различном уровне накачки активной среды;

- на фиг. 3 представлены значения оптического усиления и плотности тока на пороге генерации, иллюстрирующие известный способ определения предельного оптического усиления (prior art);

- на фиг. 4 представлены значения оптического усиления и энергии лазерных фотонов на пороге лазерной генерации для группы лазеров с различной длиной резонатора, использованных для иллюстрации применения заявляемого способа;

- на фиг. 5 представлен спектр фототока исследуемой активной среды, а также аппроксимация экспериментальной кривой параболической функцией;

- на фиг. 6 представлены зависимость энергии излучаемых лазерных фотонов от величины усиления на пороге лазерной генерации и экстраполяция этой зависимости вплоть до энергии, соответствующей максимуму плотности состояний, а также определенное значение предельного усиления активной среды по заявляемому способу;

- на фиг. 7 представлены спектры оптического усиления активной среды при различном уровне накачки, использованные для реализации другого варианта заявляемого способа;

- на фиг. 8 представлена зависимость усиления на пороге лазерной генерации от энергии излучаемых лазерных фотонов.

Для экспериментального определения взаимосвязи между энергией излучаемых лазерных фотонов и оптическим усилением на пороге лазерной генерации в одном варианте может быть использован набор (1.1), (1.2)…(1.N) лазеров полосковой конструкции с различной длиной L₁, L₂…L_N резонатора Фабри-Перо со сколотыми зеркалами, как проиллюстрировано на фиг. 1. Более короткой длине лазерного резонатора будут соответствовать большие значения усиления g₁, g₂…g_N на пороге лазерной генерации и большие значения энергии фотонов , … на пороге лазерной генерации.

В другом варианте реализации заявляемого способа, проиллюстрированном на фиг. 2, используется набор спектров усиления (2.1), (2.2)…(2.N), определенных при различном уровне j₁, j₂…j_N накачки активной среды одного и того же экспериментального образца. Большему уровню накачки будут соответствовать большие значения оптического усиления и энергии фотонов. В соответствии с известным свойством полупроводниковых лазеров, за величину оптического усиления на пороге генерации следует принимать величину усиления g₁, g₂…g_N в максимуме спектра усиления, а за величину энергии лазерных фотонов энергию , …, соответствующую максимуму спектра усиления при некотором уровне накачки. При этом значения уровня накачки не представляют интереса для дальнейшего анализа.

Полученный тем или другим способом набор экспериментальных данных, описывающих взаимосвязь энергии , … фотонов с величиной оптического усиления g₁, g_2…g_N, экстраполируется в сторону больших энергий вплоть до пересечения с величиной энергии , соответствующей максимуму плотности состояний, как это проиллюстрировано на фиг. 1 и 2. Оптическое усиление, соответствующее точке пересечения, есть предельное оптическое усиление g_peak активной среды.

В качестве активной среды может выступать однослойный или многослойный массив полупроводниковых квантовых точек. Для такой активной среды плотность состояний представляет собой уширенный пик, где уширение обусловлено различием квантовых точек по размерам и другими факторами.

Названная энергия, соответствующая максимуму плотности состояний, может быть определена экспериментально с помощью измерения спектра фототока. Измерение спектра фототока может быть выполнено с помощью одного из упомянутых полосковых лазеров при его электрическом подключении, соответствующем измерению фототока, и облучении одной из сколотых граней широкополосным излучением стороннего оптического источника.

В случае, если активная среда содержит несколько квантовых подзон (уровней размерного квантования), плотность состояний содержит несколько соответствующих максимумов плотности состояний, каждый из которых характеризуется своим значением предельного оптического усиления, а в спектре фототока присутствует несколько отдельных максимумов.

Для экстраполяции зависимости энергии излучаемых лазерных фотонов от величины потерь на вывод излучения в пределе больших энергий может быть использована линейная функция. Основанием для этого является тот факт, что любая плотность состояний вблизи своего максимума может быть аппроксимирована параболой, что соответствует разложению в ряд Тейлора, и, как было установлено авторами настоящего изобретения, в этом случае связь между оптическим усилением и энергией лазерных фотонов на пороге лазерной генерации может описана приближенным выражением Здесь - искомое предельное оптическое усиление, - параметр, связанный с коэффициентом разложения в ряд Тейлора и характеризующий наклон зависимости. Особенностью описанной процедуры аппроксимации является то, что она использует единственный параметр подгонки, а именно параметр , поскольку величина определяется из независимого эксперимента, а величина однозначно определяется из экстраполяции при устремлении к энергии, соответствующей максимуму плотности состояний. Это повышает точность определения искомой величины предельного оптического усиления по сравнению с другими способами ее отыскания.

Пример 1. Предложенный способ определения предельного оптического усиления рассматривается на примере активной среды, представляющей собой массив квантовых точек In_0.4Ga_0.6As.

Исследуемая активная среда была синтезирована методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений на подложке n⁺-GaAs и представляла собой 6 рядов квантовых точек, сформированных осаждением 2 нм названного материала. Каждый из рядов был отделен от соседнего ряда слоем GaAs толщиной 40 нм. Активная среда была сформирована в средней части волноводного i-слоя GaAs толщиной 800 нм лазерной p-i-n гетероструктуры, образованной легированными примесью n или p эмиттерными слоями Al_0.4Ga_0.6As. Из гетероструктуры были изготовлены полосковые лазеры с резонатором Фабри-Перо, образованном плоскопараллельными гранями, полученными скалыванием кристалла. Длина полосковых лазеров варьировалась от 4000 мкм до 94 мкм.

Для каждого лазера было вычислено пороговое усиление, используя величину коэффициента отражения граней R₁=R₂=0.3. Наименьшее значение порогового усиления составило около 3 см^-1, наибольшее около 130 см^-1. Указанные значения представляют собой так называемое чистое оптическое усиление. Для каждого лазера также выполнены стандартные измерения спектров излучения лазеров и величины излучаемой оптической мощности при различном уровне накачки (плотности тока инжекции), которые позволили для каждого лазера определить значения плотности тока накачки на пороге генерации, как это требуется для использования известного способа, и энергию лазерных фотонов на пороге лазерной генерации, как это требуется для заявляемого способа оценки предельного оптического усиления.

На фиг. 3 показано соотношение между величиной оптического усиления на пороге лазерной генерации и величиной плотности тока накачки на пороге для упомянутого массива полосковых лазеров. Можно отметить, что некоторые экспериментальные данные выпадают из регулярной последовательности (данные вблизи плотности тока 1000 А/см²), что может быть обусловлено разбросом в темпе безызлучательной рекомбинации от образца к образцу. Линии на фиг. 3 иллюстрируют аппроксимацию экспериментальных данных с помощью известного выражения (2) с использованием различного набора параметров аппроксимации , и , что соответствует известному способу определения предельного оптического усиления. Можно отметить, что различные значения параметров позволяют удовлетворительно описать экспериментальные результаты, однако при этом определяемое значение предельного оптического усиления оказывается различным и колеблется в диапазоне 200-250 см^-1.

Для иллюстрации заявляемого способа на фиг. 4 приведены значения оптического усиления на пороге генерации и энергии лазерных фотонов на пороге лазерной генерации в зависимости от длины полосковых лазеров. Зависимость характеризуется хорошей регулярностью (малым разбросом данных). Также были выполнены измерения фототока при вводе внешнего излучения в торец диода длиной около 100 мкм. Спектр фототока приведен на фиг. 5. Штриховая линия соответствует параболической аппроксимации спектра фототока вблизи энергии, соответствующей максимуму плотности состояний, которая определена равной 1.19 эВ. Аппроксимация спектра фототока не является обязательной для нахождения максимума плотности состояний и использована в настоящем случае для иллюстрации.

На фиг. 6 показана зависимость величины оптического усиления на пороге лазерной генерации от энергии лазерных фотонов, определенная с помощью обсуждавшихся выше экспериментальных данных. Сплошной линией на фиг. 6 показана экстраполяция зависимости в пределе больших энергий, представленная линейной функцией с параметром =3400 см^-1/эВ, характеризующим угол наклона. Продление экстраполяции вплоть до значения энергии, соответствующей максимуму плотности состояний, дает значение искомого предельного оптического усиления исследуемой активной среды в форме массива из 6 рядов квантовых точек InGaAs, равное 218 см^-1.

Пример 2. С использованием описанной в предыдущем примере эпитаксиальной структуры с квантовыми точками были изготовлены многосекционные лазеры, длина каждой секции составляла 300 мкм. В соответствии со способом определения спектра усиления, описанном в работе (Thomson J.D. et al. Determination of single-pass optical gain and internal loss using a multisection device // Applied Physics Letters. - 1999. - V.75. - №. 17. - P.2527-2529), были измерены спектры усиленного спонтанного излучения при пропускании плотности тока накачки некоторого уровня через одну или две секции. Спектр усиления при некотором уровне накачки вычислялся с использованием выражения (3):

, (3)

где L₁ - длина одной секции, и - интенсивности усиленного спонтанного излучения, измеренные при данном уровне накачки для пропускания тока через одну либо две секции, соответственно. Определенные для некоторых уровней накачки спектры усиления приведены на фиг. 7.

С помощью описанной выше последовательности действий был определен набор спектров усиления при различных уровнях накачки. Для каждого уровня накачки были определены значения усиления и энергии фотонов, соответствующие положению максимума спектра усиления. В соответствии со свойствами полупроводниковых лазеров данные параметры соответствуют величине усиления на пороге лазерной генерации и энергии излучаемых лазерных фотонов.

Полученная таким образом зависимость усиления на пороге лазерной генерации от энергии излучаемых лазерных фотонов проиллюстрирована на фиг. 8. Сплошной линией на фиг. 8 показана экстраполяции зависимости в пределе больших энергий линейной функцией с параметром =3500 см^-1/эВ, характеризующим угол наклона. Продление экстраполяции вплоть до энергии, соответствующей максимуму плотности состояний, дает значение искомой величины предельного оптического усиления исследуемой активной среды в форме массива квантовых точек, равное 220 см^-1. Таким образом, оба варианта заявляемого способа дают значения предельного усиления, совпадающие с точностью до 1%.

Таким образом, продемонстрирована возможность определения предельного оптического усиления полупроводниковой квантово-размерной активной среды. Следует понимать, что описанный вариант реализации изобретения является просто иллюстрацией применения принципов заявляемого способа и не ограничивает формулу изобретения, в которой указаны те признаки, которые являются существенными для изобретения.

Формула изобретения

1. Способ определения предельного оптического усиления полупроводниковой квантово-размерной активной среды, включающий измерение спектров излучения полупроводниковой активной среды и величины излучаемой оптической мощности, установление зависимости величины усиления на пороге лазерной генерации от энергии излучаемых лазерных фотонов и экстраполяцию полученной зависимости вплоть до энергии, соответствующей максимуму плотности состояний полупроводниковой квантово-размерной активной среды.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для установления зависимости величины усиления на пороге лазерной генерации от энергии излучаемых лазерных фотонов используется набор полосковых лазеров с резонатором Фабри-Перо различной длины со сколотыми зеркалами.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для установления зависимости величины усиления на пороге лазерной генерации от энергии излучаемых лазерных фотонов используется набор спектров усиления, определенных при различном уровне накачки активной среды, где за величину оптического усиления и энергии фотонов принимаются усиление и энергия фотонов, отвечающие максимуму спектра усиления для каждого конкретного уровня накачки.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что полупроводниковая квантово-размерная активная среда представляет собой массив полупроводниковых квантовых точек.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что энергия, соответствующая максимуму плотности состояний, определяется с помощью измерения спектра фототока активной среды.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для экстраполяции зависимости величины усиления на пороге лазерной генерации от энергии излучаемых лазерных фотонов вплоть до энергии, соответствующей максимуму плотности состояний полупроводниковой квантово-размерной активной среды, используется линейная функция.